САМОУПЛОТНЯЮЩИЕСЯ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ БЕТОНЫ С МИНЕРАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ НА ОСНОВЕ ГЛИНИСТЫХ И КАРБОНАТНЫХ ПОРОД Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Научная статья УДК 691.3

ГРНТИ: 67.09 Строительные материалы и изделия ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия doi:10.51608/26867818_2023_1_63

САМОУПЛОТНЯЮЩИЕСЯ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ БЕТОНЫ С МИНЕРАЛЬНЫМИ ДОБАВКАМИ НА ОСНОВЕ ГЛИНИСТЫХ И КАРБОНАТНЫХ ПОРОД

© Авторы 2023 SPIN: 6597-4420 AuthorID: 933723 ORCID: 0000-0002-3008-6242 ScopusID: 57195424982 ResearcherID: AAN 7738-2020

ВОЛОДИН Владимир Владимирович

инженер научно-исследовательской лаборатории эколого-метеорологического мониторинга, строительных технологий и экспертиз Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва (Россия, Саранск, e-mail: volodinvv1994@gmail.com)

SPIN: 7494-0840 AuthorID: 131099 ORCID: 0000-0002-2328-6238 ScopusID: 57190161363 ResearcherID: B-1228-2017

НИЗИНА Татьяна Анатольевна

доктор технических наук, профессор

Национальный исследовательский Мордовский государственный

университет имени Н.П. Огарёва

(Россия, Саранск, e-mail: nizinata@yandex.ru)

Аннотация. В статье приведены результаты исследования физико-механических свойств самоуплотняющихся мелкозернистых бетонных смесей с модификаторами на основе термоактивированных глинистых и карбонатных пород. По итогам исследования разработаны составы модифицированных мелкозернистых бетонов классов по прочности на сжатие В40^В55 из самоуплотняющихся смесей со следующими показателями качества: плотность в равновесном влажностном состоянии - 2248^2327 кг/м3; предел прочности на растяжение при изгибе- 8,2^9,5 МПа; предел прочности при сжатии - 59,2^72,1 МПа; модуль упругости при сжатии - 30954^35492 МПа; предельная сжимаемость- 2,13^2,29 мм/м.

Ключевые слова: модифицированные цементные вяжущие; мелкозернистые бетоны; самоуплотняющиеся смеси; минеральные добавки; глина; известняк; прочностные показатели; подвижность; строительные материалы

Для цитирования: Володин В.В., Низина Т.А. Самоуплотняющиеся мелкозернистые бетоны с минеральными добавками на основе глинистых и карбонатных пород // Эксперт: теория и практика. 2023. № 1 (20). С. 63-68. Сок10.51608/26867818_2023_1_63.

Original article

SELF-COMPASSING FINE GRAIN CONCRETE WITH MINERAL ADDITIVES ON THE BASIS CLAY AND CARBONATE ROCKS

© The Author(s) 2023 VOLODIN Vladimir Vladimirovich

engineer of the research laboratory of ecological and meteorological monitoring, construction technologies and expertise National Research Mordovian State University named after N.P. Ogarev (Russia, Saransk)

NIZINA Tatiana Anatolyevna

Doctor of Technical Sciences, Professor

National Research Mordovian State University named after N.P. Ogarev (Russia, Saransk, e-mail: nizinata@yandex.ru)

Annotation. The article presents the results of a study of the physical and mechanical properties of self-compacting fine-grained concrete mixtures with modifiers based on thermally activated clay and carbonate rocks. Based on the results of the study, compositions of modified fine-grained concretes of classes in compressive strength B40^B55 from self-compacting mixtures were developed, with the following quality indicators: density in an equilibrium moisture state - 2248^2327 kg/m3; ultimate

tensile strength in bending - 8.2^9.5 MPa; compressive strength - 59.2^72.1 MPa; modulus of elasticity in compression -30954^35492 MPa; ultimate compressibility - 2.13^2.29 mm/m.

Keywords: modified cement binders; fine-grained concretes; self-compacting mixtures; mineral additives; clay; limestone; strength indicators; mobility; building materials

For citation: Volodin V.V., Nizina T.A. Self-compassing fine grain concrete with mineral additives on the basis clay and carbonate rocks // Expert: theory and practice. 2023. № 1 (20). Рр. 63-68. (InRuss.). doi:10.51608/26867818_2023_1_63.

Основным строительным материалом XXI века является бетон. Цемент, как основной компонент бетона, является относительно недорогим и легкодоступным компонентом. Темпы развития цементной промышленности в 1,5-2 раза превышают темпы роста мирового ВВП, а мировое потребление цемента достигает 4,3 млрд. тонн в год [1]. Анализ потребления цемента в мире показывает, что его рост наблюдается в странах, которые начинают развивать собственную инфраструктуру, имеют прирост населения и ВВП [2]. В РФ так же действуют несколько национальных проектов, целями которых является повышение качества и наращивание объёмов строительства. Возрастающие темпы строительства в России требуют разработки и производства дешёвых и высокоэффективных строительных материалов с использованием местного минерального сырья.

Характерной особенностью минерально-сырьевой базы Республики Мордовия является наличие, в основном, нерудного сырья: глин, песков, карбонатных пород, кремнистого сырья и др. Данные полезные ископаемые связаны с приповерхностным залеганием и выходами на поверхность пород каменноугольной, меловой, палеогеновой, неогеновой и четвертичной систем [3]. В кадастре месторождений Республики Мордовия учтено 159 месторождений, на балансе находятся 96, из них официально вовлечены в эксплуатацию 44. Исходным сырьем для производства цемента в Мордовии служат мер-гельно-меловые породы Алексеевского месторождения, а также глинистые породы Кочкушского месторождения, используемые в качестве корректирующих добавок. Однако динамика запасов данных месторождений характеризуется лишь их погашением без последующего восполнения. Учитывая возрастающую потребность в цементе на территории республики проводятся геологические исследования с целью расширения сырьевой базы [4].

Применение активных минеральных добавок в составе вяжущего является наиболее простым и эффективным способом снижения клинкерной части, позволяющей одновременно снизить ресурсо-, энергозатраты и отрицательное воздействие на экологию при производстве портландцемента [5 - 9]. С целью расширения минерально-сырьевой базы для производства активных минеральных добавок получили развитие исследования по оценке эффективно-

сти различных видов минеральных добавок, в том числе широко распространенных полиминеральных глин [10 - 12]. В работах [13, 14] представлены результаты исследований пуццоланической эффективности прокаленных молотых глин Оренбургской, Челябинской областей и Республики Татарстан. Показано, что данные глины могут иметь пуццоланиче-скую активность, не уступающую широко распространённым минеральным добавкам - микрокремнезёму и метакаолину. Эффективность минеральных добавок на основе глинистых пород также подтверждена результатами собственных исследований [15 - 19].

Учитывая то, что глинистые породы составляют значительную часть полезных ископаемых Республики Мордовия, а также то, что в регионе отсутствуют запасы качественного крупного заполнителя, целью данной работы являлась разработка мелкозернистых цементных бетонов, модифицированных минеральными добавками на основе глинистых и карбонатных пород Республики, обладающих повышенными прочностными и эксплуатационными показателями, а также высокой удобоукладываемо-стью.

Исследования проводились на портландцементе ЦЕМ I 42,5Б производства АО «Мордовце-мент» (Ц), песке(П) Болотниковского месторождения Республики Мордовия с модулем крупности Мкр=1,8 и минеральных добавках (МД) на основе полезных ископаемых Республики Мордовия - глины Никитского месторождения (ТГН) и смеси глины Никитского и известняка Атемарского месторождений (ТС(ГН+ИА)), обожжённых при температуре 700 °С в течении 2 часов. В качестве пластифицирующей добавки применялся поликарбоксилатный суперпластификатор МеШих 5581 Р (СП).

Расход портландцемента в бетонных смесях, модифицированных минеральными добавками, составлял, согласно требованиям [20], не более 650 кг/м3. Повышение физико-механических свойств мелкозернистых бетонов достигалось за счёт увеличения расходавяжущего (Ц+МД). Доля минеральных добавок в составе вяжущего составляла 10, 15 и 20% по массе. Пластифицирующая добавка МеШих 5581 Рвводилась в количестве 1% от массы вяжущего. С учетом доли вводимой добавки и расхода вяжущего мелкозернистые бетонные смеси делились на три группы: группа 1 (составы №1 - 3) - Ц+МД=720 кг/м3

(10% МД от массы вяжущего для составов №2 и 3); группа 2 (составы №4 - 6) - Ц+МД=760 кг/м3 (15% МД от массы вяжущего для составов №5 и 6); группа 3 (составы №7 - 9) - Ц+МД=810 кг/м3 (20% МД от массы вяжущего для составов №8 и 9). Рецептурно-технологические показатели разработанных мелкозернистых бетонных смесей представлены в таблице 1, физико-механические характеристики мелкозернистых бетонов на их основе - в таблице 2.

Анализ таблицы 2 показал, что модифицированные разработанными МД бетонные смеси (составы №2, 3, 5, 6, 7, 8) обладают расплывом из конуса Хегерманна на уровне 220^280мм. При этом подвижность ряда составов (№5, 6, 8 и 9) находится на уровне 260^280мм, что согласно работам [21, 22] соответствует самоуплотняющимся бетонным смесям.

Таблица 1. Рецептурно-технологические показатели

бетонных смесей

№ состава № группы âi ^ о с В/(Ц+МД), отн. ед. МД/(Ц+МД), % Расплыв из конуса Хегерманна, мм

ТГН ТС(ГН+ИА)

1(К1) 1 2,05 0,29 - - 240

2 2,04 0,29 10 - 230

3 2,04 0,29 - 10 220

4(К2) 2 1,86 0,29 - - 290

5 1,84 0,29 15 - 280

6 1,84 0,29 - 15 270

7(К3) 3 1,66 0,27 - - 290

8 1,63 0,27 20 - 280

9 1,64 0,27 - 20 270

10(К4) - 2,37 0,32 - - 180

Таблица 2. Физико-механические характеристики

мелкозернистых бетонов

№ состава .0 t> СП онс 3/м отн /гк л m Предел прочности в проектном возрасте (28 суток), МПа Модуль упругости при сжатии (28 суток), МПа Предельная сжимаемость, мм/м Доля ранней прочности при сжатии, %, в возрасте

при сжатии при изгибе 1сут. 7сут.

1(К1) 2299 62,8 8,2 30962 2,20 35,5 81,5

2 2298 66,7 8,7 33172 2,22 38,6 84,8

3 2293 64,4 8,4 34241 2,22 37,1 85,1

4(К2) 2321 69,3 10,6 36384 2,25 43,7 88,8

5 2282 72,1 8,2 34163 2,29 44,3 85,2

6 2271 68,2 8,5 32268 2,25 40,4 87,5

7(К3) 2327 74,3 11,4 37162 2,27 45,1 89,5

8 2280 65,6 8,9 35491 2,22 39,5 85,4

9 2264 59,2 9,5 30954 2,13 39,3 83,8

10(К4) 2248 50,9 7,5 26215 2,08 34,4 91,8

Плотность исследуемых бетонов в равновесном влажностном состоянии варьируется в достаточно узком интервале - от 2248 до 2327 кг/м3. Увеличение расхода смешанного вяжущего более 650 кг/м3 как за счет введения разработанных добавок, так и за счет содержания цемента приводит к повышению плотности мелкозернистых бетонов, не превышающему 0,7^3,5% (табл. 2). Наибольшие значения плотности в рассматриваемых группах имеют мелкозернистые бетоны контрольных составов №7(К3), 4(К2) и 1(К1) - соответственно 2327, 2321 и 2299 кг/м3. Плотность составов 2 и 3 с расходом вяжущего 720 кг/м3 близка к аналогичному показателю контрольного бетона данной группы (1(К1)). Уменьшение значений плотности внутри исследуемых групп 2 и 3 по отношению к контрольным составам №4(К2) и 7(К3) обусловлено, в первую очередь, более низкой по сравнению с портландцементом истинной плотностью применяемых минеральных добавок ТГН и ТС(ГН+ИА).

В возрасте 28 суток для модифицированных минеральными добавками на основе глинистых и карбонатных пород мелкозернистых бетонов зафиксированы следующие упруго-прочностные показатели: предел прочности на растяжение при изгибе-8,2^9,5 МПа; предел прочности при сжатии -59,2^72,1 МПа; модуль упругости при сжатии -30954^35491 МПа; предельная сжимаемость -2,13^2,29 мм/м. Исследуемые составы характеризуются достаточно высокими темпами набора прочности - 34^45% и 82^92% от проектной прочности, соответственно, в возрасте 1 и 7 суток. При этом кинетика набора прочности мелкозернистых бетонов, модифицированных разработанными минеральными добавками, превышающая или близкая к контрольным составам исследуемых групп, зафиксирована только в группах 1 и 2, содержащих МД, вводимые в количестве 10 и 15% от массы вяжущего. Увеличение расхода МД до 20% от массы вяжущего (группа 3 - составы №8 и 9) приводит к падению прочностных показателей бетона при сжатии по сравнению с контрольным составом №7 (К3), достигающему 12^20%.

Увеличение расхода смешанного вяжущего до 720^760 кг/м3 за счет дополнительного введения 10^15% минеральных добавок (по массе вяжущего) приводит к повышению предела прочности при сжатии на 33^46% от прочности немодифицированного контрольного состава №10(К4) с расходом цемента 650 кг/м3 (рис. 1). Повышение концентрации вводимых добавок ТГН и ТС(ГН+ИА) до 20% от массы вяжущего сопровождается снижением прочностных показателей исследуемых бетонов (составы №8 и 9). При этом по сравнению с контрольным составом №10(К4) прирост предела прочности при сжатии для

-добавкнТГН —О—добавки ТС(ГН-ИА) —^--цемента

Рис. 1. Влияние расхода смешанного вяжущего на изменение предела прочности при сжатии самоуплотняющихся мелкозернистых бетонов, модифицированных МД на основе глинистых и карбонатных пород (красной линией показан уровень предела прочности при сжатии для бетонов класса В50)

Рис. 2. Изменение предела прочности при сжатии (28 суток) модифицированных цементных бетонов (а, в, д - добавка ТГН; б, г, е - добавка ТС(ГН+ИА)) в зависимости от П/(Ц+МД) и МД/(Ц+МД) отношений при содержании В/(Ц+МД) отношениях: а, б - 0,27; в, г - 0,28; д, е - 0,29 (начало)

д)

Рис. 2. Изменение предела прочности при сжатии (28 суток) модифицированных цементных бетонов (а, в, д - добавка ТГН; б, г, е - добавка ТС(ГН+ИА)) в зависимости от П/(Ц+МД) и МД/(Ц+МД) отношений при содержании В/(Ц+МД) отношениях: а, б - 0,27; в, г - 0,28; д е - 0,29 (окончание)

бетонов №8 и 9 составляет, соответственно, 31 и 14%. Для немодифицированных цементных бетонов наблюдается практически монотонное повышение прочности при сжатии при увеличении расхода вяжущего с 650 до 810 кг/м3 (рис. 1).

Оптимизация модифицированных разработанными добавками мелкозернистых бетонов при выставлении требований по классу по прочности на сжатие не ниже В50 показала (рис. 1), что данному уровню соответствуют составы, содержащие 9,1-19,6% добавки ТГН или 10,7-16,3% добавки ТС(ГН+ИА) от массы смешанного вяжущего. В отсутствии модифицирующих добавок класс В50 для мелкозернистых бетонных смесей обеспечивается при расходе цемента не ниже 737 кг/м3.

Для выявления влияния на исследуемые характеристики вида МД (ТГН и ТС(ГН+ИА)), а также В/(Ц+МД), П/(Ц+МД) и МД/(Ц+МД) отношений были определены коэффициенты полиномиальных уравнений, описывающих изменение предела прочности при сжатии в проектном возрасте, и построены графические зависимости, представленные на рис. 2:

в(т

= 68,9 + 7,з х,- 9,9- х- + 4,7-х,-

(1)

где - В/(Ц+МД) отношение; х, - П/(Ц+МД) отношение;^ - МД/(Ц+МД).

Из анализа графических зависимостей выявлена (рис. 2, д, е) возможность повышения предела прочности при сжатии исследуемых бетонов за счет увеличения концентрации минеральных добавок ТГН и ТС(ГН+ИА) от 0 до 20% от массы цемента с по-

вышением П/(Ц+МД) отношения при В/(Ц+МД)=0,29. Наибольшая эффективность от введения МД, достигающая 21,0 и 13,4% для, соответственно, ТГН и ТС(ГН+ИА) в данном случае выявлена для бетонов с отношением П/(Ц+МД), равным 2,4. Снижение водо-вяжущего отношения до 0,27-0,28 отн. ед., в целом, приводит к уменьшению эффекта от введения исследуемых минеральных добавок.

Выводы

По результатам проведенных исследований разработаны составы самоуплотняющихся мелкозернистых смесей с расходом цемента не более 650 кг/м3 при использовании мелких природных песков Республики Мордовия (модуль крупности Мкр=1,8) и минеральных добавок (10-20% от массы смешанного вяжущего) на основе термоактивированных полиминеральных глин, а также комплексов глинистых и карбонатных пород, бетоны на основе которых соответствуют классам по прочности при сжатии В40-В55. Оптимальный уровень вводимых МД, обеспечивающих получение мелкозернистых бетонов с классом по прочности не ниже В50, варьируется, соответственно, в интервалах 9,1-19,6 и 10,7-16,3% для, соответственно, добавок ТГН и ТС(ГН+ИА).

Библиографический список

1. Клайн Дж. Глобальные изменения в производстве цемента в мировом масштабе / Дж. Клайн// «AUTinfoптl». Международное аналитическое обозрение. - 2017. - №1. - С. 12-20.

2. Хозин В.Г. «Карбонатные» цементы низкой водо-потребности / В.Г. Хозин, О.В. Хохряков, И.Р. Сибгатуллин И.Р. - М.: Монография. Издательство АСВ. - 2021. - 366 с.

3. Маскайкин, В. Н. Прогноз прироста запасов полезных ископаемых на территории Мордовии / В. Н.

Маскайкин, А. А. Белов, А. В. Кирюшин // Современные проблемы территориального развития. - 2017. - № 1. -С. 6. - EDN YTCEUF.

4. Селяев В.П. Минерально-сырьевая база строительной отросли Мордовии: практ. пособие. Ч. 1: Глины и суглинки / В.П. Селяев, А.А. Ямашкин, Л.И. Куприяшкина [и др.]. // Саранск: Изд-во Мордов. ун-та. - 2013. - 152 с.

5. Баженов, Ю.М. Конструирование структур современных бетонов: определяющие принципы и технологические платформы / Ю.М. Баженов, Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких // Строительные материалы. - 2014. - №3. - С. 6-14.

6. Чернышов, Е.М. Нанотехнологические условия управления структурообразованием высокопрочных цементных бетонов / Е.М. Чернышов, Д.Н. Коротких, О.В. Артамонова // Вестник Центрального регионального отделения РААСН. Выпуск 9. - Воронеж, 2010. - С. 102-121.

7. Хузин, А. Ф. Физико-механические свойства высокопрочного бетона, модифицированного комплексной добавкой / А. Ф. Хузин, Р. А. Ибрагимов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - 2015. - №4(34). - С. 317-321.

8. Каприелов, С.С. Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспектива / С.С. Каприелов, В.Г. Батраков, А.В. Шейнфельд // Бетон и железобетон.

- 1999. - №6. - С. 6-10.

9. Селяев, В.П. Цементные композиции для высокопрочных бетонов / В.П. Селяев, А.Н. Лукин, А.В. Колотуш-кин // Региональная архитектура и строительство. - 2013.

- №3. - С. 4-8.

10. Schulze S.E. Optimization of cements with calcined clays as supplementary cementitious materials / S.E. Schulze, R. Pierkes, J. Rickert // Proc. XIV International Congress on the Chemistry of cement. - Beijing, China. - 2015. - 693 p.

11. Castello L.R. Evolution of calcined clays soils as supplementary cementitious materials / L.R. Castello, H.J.F. Her-nandes, K.L. Scrivener, M. Antonic // Proceedings of a XII International Congress of the chemistry of cement. Instituto de Ciencias de la Construction «Eduardo torroja». - Madrid. -2011. - P. 117.

12. Fernandez R. The origin of the pozzolanic activity of calcined clay minerals: A comparison between kaolinite, il-lite and montmorrilonite / R. Fernandez, F. Martizena, K.L. Scrivener // Cement and Concrete Research. - 2011. - № 41.

- P. 113-122.

13. Рахимов Р.З. Влияние добавок в портландцемент прокаленной и молотой глины с содержанием 40% каолинита на прочность цементного камня / Р.З. Рахимов, Н.Р. Рахимова, А.Р. Гайфуллин // Academia. Архитектура и строительство. - 2015. - №2. - С. 131-133.

14. Гайфулин А.Р. Влияние добавок глинитов в портландцемент на прочность при сжатии цементного камня / А.Р. Гайфулин, Р.З. Рахимов, Н.Р. Рахимова // Инженерно-строительный журнал. - 2015. - № 7 (59). - С. 66-73.

15. Низина Т.А. Влияние добавок на основе обожжённой глины на прочность модифицированного цементного камня / Т.А. Низина, В.В. Володин, А.С. Балыков, Л.М. Ошкина, Д.И. Коровкин // Региональная архитектура и строительство. - 2019. - № 3 (40). - С. 58-67.

16. Низина Т.А. Влияние термоактивированных глин и карбонатных пород на фазовый состав и свойства модифицированного цементного камня / Т.А. Низина, А.С. Балыков, В.В. Володин, В.М. Кяшкин, А.А. Ерофеева // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2019. - № 8 (728). - С. 45-55.

17. Низина Т.А. Оценка кинетики твердения цементного камня, модифицированного добавками термоактивированной глины и карбонатных пород / Т.А. Низина, В.В. Володин, А.С. Балыков, Д.И. Коровкин // Региональная архитектура и строительство. - 2021. - № 1 (46). - С. 86-94.

18. Прочность цементного камня с минеральными добавками на основе обожженной глины и карбонатных пород / А. С. Балыков, Т. А. Низина, В. В. Володин, Д. И. Коровкин // Эксперт: теория и практика. - 2020. - № 4(7). - С. 26-30. - DOI 10.24411/2686-7818-2020-10031. - EDN RJCINA.

19. Nizina, T.A., Balykov, A.S., Volodin, V.V., Kyashkin, V.M. Structure and properties of cement systems with additives of calcined clay and carbonate rocks. Magazine of Civil Engineering. 2022. 116(8). Article no. 11602. DOI: 10.34910/MCE.116.2.

20. Рекомендации по подбору составов бетонных смесей для тяжелых и мелкозернистых бетонов. - ФА-УФЦС, Москва. - 2016. - 100 с.

21. Калашников В.И. Расчет составов высокопрочных самоуплотняющихся бетонов / В.И. Калашников // Строительные материалы. - 2008. - №10. - С. 4-6.

22. Физико-механические свойства самоуплотняющихся мелкозернистых бетонов с применением карбонатного наполнителя и мелкого природного кварцевого песка / Т. А. Низина, А. С. Балыков, Д. И. Коровкин [и др.] // Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций : Материалы Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 75-летию заслуженного деятеля науки Российской Федерации, академика РААСН, доктора технических наук, профессора В.П. Селяева, Саранск, 0305 декабря 2019 года / Ответственный редактор А.Л. Лазарев. - Саранск: Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва, 2019. - С. 192-200. - EDN WDBTXU.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 07.02.2023; одобрена после рецензирования 27.02.2023; принята к публикации 27.02.2023.

The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 07.02.2023; approved after reviewing 27.02.2023; accepted for publication 27.02.2023.