CC BY
20УДК 693.5 DOI 10.51608/26867818_2021_5_27
РАЗРАБОТКА ВЫСОКОПРОЧНОГО ПОРОШКОВО-АКТИВИРОВАННОГО БЕТОНА С УЛУЧШЕННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ БИОЛОГИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
© 2021 Д.В. Емельянов, И.В. Ерофеева, А.В. Дергунова, И.А. Чибулаев, Х.Б. Матьякубов, А.М. Ахмедов*
В статье приводятся результаты исследований по созданию высокопрочного порошково-активирован-ного бетона с пониженным расходом цементного клинкера и повышенной биологической стойкостью за счет рационально подобранного состава, включающего композиционное вяжущее и активированную воду затворения. Полученный высокопрочный порошково-активированный бетон содержит вяжущее - композиционное вяжущее на основе портландцементного клинкера в количестве 70 %, тон-коизмельченного гранулированного шлака - 26 %, двуводного гипса - 3 % и натрия фтористого - 1 %, наполнитель - тонкоизмельченный порошок кварца, известняка с удельной поверхностью 600 м2/кг, заполнитель - кварцевый песок фракции 0,63-5,0 мм, гиперпластификатор марки «Melflux 2651 F» и воду затворения. В качестве воды затворения содержит активированную воду, прошедшую электрохимическую и электромагнитную активацию с введением окисно-гидроокисных соединений алюминия и железа в количестве 2...10 г/м3. Полученные строительные материалы могут быть использованы при производстве конструкций и изделий из бетона на цементном вяжущем для зданий и сооружений гражданского, промышленного и специального назначения.
Ключевые слова: порошково-активированные бетоны, самоуплотняющиеся бетоны, пластификаторы, наполнители, биологическое сопротивление, активированная вода затворения, цементный клинкер.
Введение
В строительной отрасли одними из наиболее широко используемых строительных материалов на сегодняшний день являются бетон и железобетон. Значительная часть несущих и ограждающих конструкций промышленных и гражданских зданий, транспортных сооружений выполняются из данных материалов. Современная технология бетона базируется на применении новых его компонентов, добавок, наполнителей, волокон и т.д. [1-2].
Перспективным направлением повышения качества строительных изделий и
конструкций является использование при изготовлении бетонов нового поколения, создаваемых с применением комплексных модификаторов. Для создания материалов с более высокой прочностью необходим переход к тонкозернистым системам типа порошковых бетонов (по аналогии перехода от чугуна к стали). В их состав дополнительно к цементу с суперпластификатором нового поколения вводятся дисперсные компоненты нескольких масштабных уровней. Примером достижения достаточно высоких физико-технических свойств является получение порошково-активированных бе-
* Емельянов Денис Владимирович (emelyanoffdv@yandex.ru) - кандидат технических наук, доцент; Ерофеева Ирина Владимировна (ira.erofeeva.90@mail.ru) - кандидат технических наук, старший преподаватель; Дергунова Анна Васильевна (anna19811981@mail.ru) - кандидат технических наук, доцент; Чибулаев Игорь Александрович (chibulaev98@mail.ru) - студент; Ахмедов Арслан Ме-ретдурдыевич (arslan.akhmedov.92@mail.ru) - магистр; Матьякубов Хасан Бахрамович (Abakan_94h@mail.ru) - студент; все - Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва (Саранск, РФ).
тонов нового поколения с повышенным содержанием суспензионной составляющей, превращающей смеси в саморастекающиеся и самоуплотняющиеся [3-8].
Основой создания высококачественных бетонов нового поколения служат суперпластификаторы современного поколения в сочетании с новейшей рецептурой сухих компонентов, взаимно усиливающих друг друга при превращении геля в золь. Присутствие микрокремнезема нанометрического масштабного уровня усиливает этот переход. Содержание тонкомолотых, реологически активных в смеси с цементами суперпластификаторами нового поколения наполнителей варьируется в пределах от 40% до 110 %, увеличиваясь при уменьшении содержания цемента. При избытке наполнителя с высокой дисперсностью зерен возникают участки самонапряжения, что по мере роста кристаллов может привести к образованию трещин и другим нарушениям однородности микроструктуры. Для снятия таких деструктивных напряжений необходимо включение в состав наполнителя частиц больших размеров, при котором возможно образование эпитаксиаль-ных контактов нового типа, основанных на силах электростатического притяжения и механического защемления. В новой рецептуре должен присутствовать тонкий песок фракции 0,1...0,5^0Д6...0,63 мм (200...300 мкм), который в смеси с цементом и суперпластификатором усиливает реологическое действие последнего [9-13].
Несмотря на многочисленные работы, описывающие структуру и свойства самоуплотняющихся бетонов нового поколения поиск их новых эффективных видов, получаемых на основе различных наполнителей и пластификаторов продолжается.
Методы
Исследования были направлены на создание высокопрочного порошково-активи-рованного бетона с пониженным расходом цементного клинкера и повышенной биоло-
гической стойкостью за счет рационально подобранного состава, включающего композиционное вяжущее и активированную воду затворения.
Для изготовления композиционного вяжущего использовали следующие компоненты: портландцементный клинкер ОАО «Мордовцемент», тонкоизмельченный гранулированный шлак, двуводный гипс второго сорта Порецкого месторождения, натрий фтористый. Изготовление композиционного вяжущего производилось следующим образом. Сначала осуществляли дозирование компонентов, затем в бетоносмеситель вводили отмеренное количество композиционного вяжущего, активированную по установленным режимам работы установки воду затворения, гиперпластификатор марки «МеШих 2651 F», кварцевый песок фракции 0,63-5,0 мм, порошок тонко измельченного известняка с удельной поверхностью. 600 м2/кг и полученную сырьевую смесь тщательно перемешивали в течение 3 мин.
В качестве активированной воды затворения использовали электрохимически и электромагнитно-активированную воду. Активация воды затворения цементных композиций производилась с использованием установки для безреагентной обработки водных систем УП0ВС2-5.0 «Максмир». Обработку воды затворения производили в камерах электрохимической и электромагнитной активации установки за счет пропускании в них потока воды, используемой в дальнейшем в качестве воды затворения, а отбор воды - на выпускном трубопроводе. С целью достижения высоких стабильных значений степени активации воды затворения и получения ее с заданными свойствами в зависимости от физико-химических свойств обрабатываемой воды и производительности использовали гибкую настройку установки. Рекомендуемые режимы и их параметры представлены в табл. 1.
В проведенных исследованиях в процессе активации в воду затворения вводили
Таблица 1 - Режимы активации
№ п/п Режим активации Плотность тока j, A/м2 Напряженность электромагнитного поля Н, кА/м Содержание в активированной воде гидроокисных соединений алюминия и железа, г/м3
1 Э+М (1-1) 5,65 24 2
2 Э+М (3-3) 22,58 75 6
3 Э+М (6-6) 43,55 135 10
Таблица 2 - Содержание компонентов в составе
Состав Содержание компонентов, мас. %
Композиционное вяжущее Заполнитель Наполнитель Гиперпластификатор Вода затворения
Портландцемент Глиноземистый цемент Микрокремнезем Портландцементный клинкер Тонкоизмельченный гранулированный шлак Двуводный гипс Натрий фтористый Отсев дробления кварцитопесчаника Кварцевый песок фракции 0,63...1,25 мм Кварцевый песок фракции 0,63...5,0 мм Тонкоизмельченный кварцитопесчаник Тонкоизмельченный известняк Гиперпластификатор марки «Melflux 2651 F» Неактивированная вода Активированная вода*
Прототип 21,7 2,0 2,0 - - - - 46,5 21,0 - 1,9 - 0,2 4,7 -
1 - - - 16,2 6,0 0,7 0,23 - - 44,4 - 23,30 0,21 - 8,96
2 - - - 16,2 6,0 0,7 0,23 - - 44,4 - 23,34 0,21 - 8,92
3 - - - 16,2 6,0 0,7 0,23 - - 44,4 - 23,39 0,21 - 8,87
* Вода, активированная по режимам, указанным в табл. 1
окисно-гидроокисные соединения алюминия и железа в количестве 2...10 г/м3, образующиеся при ее прохождении между электродами электролитического модуля, один из электродов которого изготовлен из стали с алюминиевой рубашкой на нем, анодно-растворяющегося с образованием с гидрок-сид-ионами в прикатодном пространстве мицеллярных гидроокисных наноструктур, содержащие в связанном виде ионы алюминия и железа (табл. 1).
Для проведения исследований из приготовленной смеси формовали образцы-кубы размерами 10x10x10 см. Выдержи-
вали в формах 24 ч. После распалубливания образцы помещали в камеру с нормальными тепло-влажностными условиями твердения на 28 сут. Затем образцы высокопрочного порошково-активированного бетона испытывали на прочность при сжатии.
Нами было изготовлено три состава высокопрочного порошково-активированного бетона, состоящего из композиционного вяжущего, наполнителя, мелкого заполнителя, гиперпластификатора и активированной воды затворения (табл. 2).
Испытания на биостойкость проводили по ГОСТ 9.049-91 методом 1 и 3. В качестве
тест-организмов использовали следующие виды плесневых грибов: Aspergillius niger, A. flafus, A. terreus, Pénicillium cuclopium, P. funiculosum, P. chrysogenum, Paecilomyces varioti, Chaetomium globosum, Trichoderma viride.
Результаты
В процессе экспериментов получили высокопрочный порошково-активирован-ный бетон, содержащий вяжущее - композиционное вяжущее на основе портландце-ментного клинкера в количестве 70 %, тон-коизмельченный гранулированный шлак -26 %, двуводный гипс - 3 % и натрий фтористый - 1 %, наполнитель - тонкоизмельчен-ный порошок кварца, известняк с удельной поверхностью 600 м2/кг, заполнитель -кварцевый песок фракции 0,63...5,0 мм, гиперпластификатор марки «Melflux 2651 F» и вода затворения. В качестве воды затворе-ния использовали активированную воду, прошедшую электрохимическую и электромагнитную активацию с введением окисно-гидроокисных соединений алюминия и железа в количестве 2...10 г/м3. Соотношение компонентов высокопрочного порошково-активированного бетона, мас. %: композиционное вяжущие - 23,13; наполнитель -23,30...23,39; заполнитель - 44,4; гиперпластификатор марки «Melflux 2651 F» - 0,21; активированная вода затворения - остальное.
Полученные результаты приведены в табл. 3.
Обсуждение
Проведенные исследования подтверждают, что технический результат достигается за счет аддитивности эффектов применения комплекса мероприятий по улучшению прочностных показателей бетона и его биологической стойкости. Предлагаемые в исследовании составы содержат рационально-подобранную высокотекучую реологическую матрицу с низким пределом текучести при минимуме содержания воды и низким удельным расходом вяжущего на единицу прочности [14-16]. С целью унаследования свойств биологической стойкости высокопрочным бетоном использовано биоцидное композиционное вяжущее. Для улучшения биологической стойкости и реологических свойств, а следовательно уменьшения содержания цементного клинкера в составах высокопрочных бетонов, использовали электрохимически и электромагнитно-активированную воду затворения. Электромагнитная обработка сводилась к действию сил Лоренца на заряженные частицы движущейся водыи непосредственному действию магнитного поля на магнитный момент молекул. Обработка природной воды магнитным полем приводит к взаимодействию поля с частицами, находящимися в воде и обладающими ферромагнитными свойствами - оксидные и гидроксид-ные соединения, образующиесяв ходе электрохимического окисления железа. Действие электромагнитного поля способствует деформации и (или) разрушению во-
Таблица 3 - Результаты испытания на биостойкость
Состав Прочность на сжатие, МПа Степень развития плесневых грибов, балл Радиус зоны инги-бирования роста грибов R, мм Характеристика материала по ГОСТ 9.049.91
Метод 1 Метод 3
Прототип 81,8 1 4 0 Негрибостоек
1 97,5 0 2 0 Грибостоек
2 98,2 0 1 0 Фунгициден
3 101,0 0 0 2 Фунгициден
дородных связей между молекулами воды в аквакомплексах (кластерах) и, вследствие этого, изменению величины поверхностного натяжения воды. Электрохимическая активация основана на свойстве растворов, подвергнутых электрохимическому воздействию, переходить в неравновесное состояние, проявляющих при этом каталитическую активность и повышенную реакционную способность в окислительно-восстановительных, кислотно-основных и других сопряженных с ними, реакциях. Многовалентные гидроксиды алюминия или железа, образовавшиеся в результате электрохимического растворения электродов при наложении электрического поля, многовалентного и обладающего перманентным дипольным моментом с повышенным содержанием ионов Н+ и ОН- влияют на формирование кристаллогидратной решетки твердого тела. За счет введения в раствор многовалентных ионов алюминия или железа, обладающих перманентным дипольным моментом, появляется возможность способствовать возникновению центров кристаллизации. Получающиеся при этом соединения, находящиеся в ультрадисперсной фазе (1...100 нм), определяют активность воды, используемой в процессах затворения строительных растворов. Дисперсная фаза оксидов и гидрооксидовалюминия и железа (анодные продукты) и гидрооксидов кальция и магния - за счет катодного восстановления молекул воды, образуют временно устойчивую систему центров кристаллизации в процессах перехода растворов цемента в фазу образования гелевых структур, способствующих образованию твердой фазы с более мелкокристаллической структурой.
Электрохимическая и электромагнитная активация способствует изменению физико-химического состава воды: рН, содержание различных ионов, смачивамость и т.д. Присутствие в жидкой фазе цементного теста различных ионов и молекул, поступающих в систему в результате воздействия
электромагнитным и электрическим полями на воду затворения, определенным образом влияет не только на структуру воды затворения, но и на процессы адсорбции, растворения и поверхностной гидратации образующейся твердой фазы, на свойства самого цементного композита [17-20].
Заключение
Разработанный в ходе исследований высокопрочный порошково-активирован-ный бетон на основе композиционного вяжущего с применением активированной воды затворения удовлетворяет всем поставленным задачам. Получен высокопрочный бетон со сниженным расходом цементного клинкера - 16,2 мас. % (прототип - 23,7 мас. %) и высокой прочностью при сжатии в возрасте 28 сут - 97,5...101,0 МПа (прототип
- 81,8 МПа). Таким образом, по сравнению с существующими предлагаемый намива-риант позволяет получать высокопрочные бетоны с высокими биоцидными свойствами.
Полученные композиционные строительные материалы могут быть использованы при производстве конструкций и изделий из бетона на цементном вяжущем для зданий и сооружений гражданского, промышленного и специального назначения, в том числе зданий и сооружений к конструкциям которых предъявляются высокие требования по биологическому сопротивлению.
Библиографический список
1. Баженов, Ю.М. Современная технология бетона / Ю.М. Баженов // Бетон и железобетон
- взгляд в будущее: научн. тр. III Всерос. (II Меж-дунар.) конф. по бетону и железобетону (Москва, 12-16 моя 2014 г.): в 7 т. Т.7: Пленарные доклады. - М.: МГСУ, 2014. С. 23-28.
2. Део, С. Аспекты применения металлической фибры. Исследование применения фибры для изделий из бетона / С. Део // СР! - Между-нар. бетон. пр-во. 2011. №4. С. 46-56.
3. Фаликман, В.Р. Строительно-технические свойства особовысокопрочных быстротвердею-
щих бетонов / В Р. Фаликман, Ю.В. Сорокин, О.О. Калашников // Бетон и железобетон. 2004. № 5. С. 5-10.
4. Калашников, В.И. Как превратить бетоны старого поколения в высокоэффективные бетоны нового поколения / В.И. Калашников // Технологии бетонов. 2015. № 11-12(112-113). С. 27-35.
5. Калашников, В.И. Суспензионно-наполненные бетонные смеси для порошково-акти-вированных бетонов нового поколения / В.И. Калашников, В.Т. Ерофеев, О.В. Тараканов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2016. № 4(688). С. 30-37.
6. Мороз, М.Н. Эффективные бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности / М.Н. Мороз, В.И. Калашников, И.В. Ерофеева // Молодой ученый. 2015. № 6 (86). С. 189-191.
7. Калашников, В.И. Высокоэффективные самоуплотняющиеся порошково-активирован-ные песчаные бетоны и фибробетоны / В.И. Калашников [и др.] // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1-2. С. 110.
8. Калашников, В.И. Терминология науки о бетоне нового поколения / В.И. Калашников // Строительные материалы. 2011. № 3. С. 103106.
9. Калашников, В.И. Через рациональную реологию в будущее бетонов. Ч. 3: От высокопрочных и особо высокопрочных бетонов будущего к суперпластифицированным бетонам общего назначения настоящего // Технологии бетонов. 2008. № 1. С. 22-26.
10. Калашников, В.И. Концепция стратегического развития пластифицированных порош-ково-активированных бетонов нового поколения / В.И. Калашников [и др.] // Высокопрочные цементные бетоны: технологии, конструкции, экономика (ВПБ-2016): сб. тез.докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Казань, 2016. С. 36.
11. Гуляева, Е.В. Влияние содержания воды, вида суперпластификатора и гиперпластификатора на растекаемость суспензий и прочностные свойства цементного камня / Е. В. Гуляева, И. В. Ерофеева, В. И. Калашников, А. В. Петухов // Молодой ученый. - 2014. - № 19. - С. 191194.
12. Влияние реакционно-активных добавок на прочностные свойства пластифицированного цементного камня / Е.В. Гуляева [и др.] // Молодой ученый. 2014. № 19. С. 194-196.
13. Калашников, В.И. Супер- и гиперпластификаторы. Микрокремнеземы. Бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности / В.И. Калашников [и др.] // Молодой ученый. - 2014. - № 19. - С. 207-210.
14. Калашников, В.И. Высокоэффективные порошково-активированные бетоны различного функционального назначения с использованием суперпластификаторов / В.И. Калашников [и др.] // Строительные материалы. 2011. № 11. С. 44-47
15. Калашников, В. И. Высокопрочные бетоны нового поколения / В.И. Калашников, И.В. Ерофеева // Materials of the XII International scientific and practical conference «Sciencewith-outborders». - Sheffield, 2016. Р. 82-84.
16. Калашников, В. И. Высокопрочные бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности / В.И. Калашников, В.М. Володин, И.В. Ерофеева // Материалы Международной научно-практической конференции. - Praha, 2015. С. 65-67.
17. Баженов, Ю.М. Теоретическое обоснование получения бетонов на основе электрохимически и электромагнитно-активированной воды затворения / Ю. М. Баженов [и др.] // Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2012. № 2(22). С. 4.
18. Фомичев, В.Т. Роль продуктов анодных процессов в ходе электромагнитной активации воды / В.Т. Фомичев [и др.] // Фундаментальные исследования. 2015. № 2-6. С.1194-1197.
19. Technology, structure formation and properties of foam concrete on activated water of mixing / N. Karpenko, V. Erofeev [et. al.] // Proceedings of the Creative Construction Conference. 2018. P. 213-219.
20. Емельянов Д.В. Пенобетоны на основе электрохимически и электромагнитно-активированной воды затворения: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Пенза, 2013. 23 с.
Поступила в редакцию 13.09.2021 г.
DEVELOPMENT OF HIGH-STRENGTH POWDER-ACTIVATED CONCRETE WITH IMPROVED
BIOLOGICAL RESISTANCE INDICATORS
© 2021 D. V. Emelyanov, I. V. Erofeeva, A. V. Dergunova, I.A. Chibulaev, H.B. Matyakubov, A.M. Ahmedov*
The article provides the results of research on the creation of high-strength powder-activated concrete with reduced cement clinker consumption and increased biological persistence due to a well-selected composition, including composite binder and activated mixing water. This produced high-strength powder-activated concrete contains a binder - a composite binder based on a Portland cement clinker in a quantity of 70%, fine divided granulated slag - 26 %, calcium sulfate dihydrate - 3 % and sodium fluoride - 1 %, loading - finely micronized quartz powder, limestone with a specific surface of 600 m2/kg, filler - quartz sand of 0,63-5,0 mm grade, hyper plasticizer "Melflux 2651 F" and mixing water. In the function of mixing water is activated water, which has undergone electrochemical and electromagnetic activation and is provided with aluminum and iron oxide hydroxide compounds in a quantity of 2...10 g/m3. The obtained building materials can be used in the production of structures and concrete products on a cement binder for civil, industrial, and special buildings.
Keywords: powder-activated concrete, self-consolidating concrete, plasticizers, loadings, biological resistance, activated mixing water, cement clinker.
Received for publication on 13.09.2021
* Emelyanov Denis Vladimirovich (emelyanoffdv@yandex.ru) - Candidate of Science (Technics), Associate Professor; Erofeeva Irina Vladimirovna (ira.erofeeva.90@mail.ru) - Candidate of Science (Technics), Senior Lecturer; Dergunova Anna Vasilyevna (anna19811981@mail.ru) - Candidate of Science (Technics), Associate Professor; Chibulaev Igor Alexandrovich (chibulaev98@mail.ru) - student; Ahmedov Arslan Meretdurdyyevich (arslan.akhmedov.92@mail.ru) - master's degree; Matyakubov Hasan Bahramovich (Abakan_94h@mail.ru) - student; all - National Research Ogarev Mordovia State University (Saransk, Russia).
