CC BY
13УДК 693.5 DOI 10.51608/26867818_2021_5_34
СОЗДАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО БЕТОНА С УЛУЧШЕННЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ БИОЛОГИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННОГО ВЯЖУЩЕГО
© 2021 Д.В. Емельянов, И.В. Ерофеева, Х.Б. Матьякубов, А.М. Ахмедов*
В статье представлены результаты создания высокопрочного порошково-активированного бетона с пониженным расходом цементного клинкера и повышенными показателями трещиностойкости и биологической стойкости за счет рационально подобранного состава, включающего композиционное вяжущее и активированную воду затворения. Сущность изобретения заключается в том, что высокопрочный порошково-активированный бетон содержит композиционное вяжущее на основе портландцементного клинкера в количестве 70 %, золы-уноса - 26 %, двуводного гипса - 3 % и натрия сернокислого - 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 меди в количестве 7...69 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, в том числе зданий и сооружений к конструкциям которых предъявляются высокие требования по трещиностойкости и биологическому сопротивлению.
Ключевые слова: порошково-активированные бетоны, самоуплотняющиеся бетоны, пластификаторы, наполнители, трещиностойкость, биологическое сопротивление, активированная вода затворения, цементный клинкер.
Введение
Мировой опыт строительства свидетельствует, что для современных зданий и сооружений необходим бетон с универсальными характеристиками, прежде всего с прочностью при сжатии и растяжении, ударной вязкостью и длительной долговечностью, особенно в сложных условиях эксплуатации. Особый интерес представляют показатели трещиностойкости и биологической стойкости бетонов.
Для решения выше приведенной проблемы, в настоящее время в технологии производства бетонов используются эффективные добавки - модификаторы свойств
бетона и бетонной смеси, а также новые технологические приемы ее приготовления. Таким образом, можно получать бетоны заданной структуры [1-9]. К таким бетонам относятся порошково-активированные бетоны [10-14]. Эти виды бетонов удовлетворяют высоким требованиям по прочности на сжатие и растяжение, трещиностойкости, ударной вязкости, износостойкости, коррозионной стойкости, морозостойкости и т.д.
К эффективным модифицирующим добавкам относится тонкоизмельченный известняк. Молотый кальцит СаСОз проявляет наивысшую разжижающую способность высококонцентрированных суспензий с супер-
* Емельянов Денис Владимирович (emelyanoffdv@yandex.ru) - кандидат технических наук, доцент; Ерофеева Ирина Владимировна (ira.erofeeva.90@mail.ru) - кандидат технических наук, старший преподаватель; Ахмедов Арслан Меретдурдыевич (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).
пластификаторами [15]. Второй важной особенностью кальцита является эпитаксия, которая определяет совершенное срастание продуктов гидратации цемента с частицами кальцита (известняка). Роль добавок тонкомолотого известняка отмечалась в огромном количестве научных работ [16-19].
Таким образом, создание технологии получения высокопрочного порошково-ак-тивированного бетона с повышенными показателями трещиностойкости и биологической стойкости является актуальным в современном материаловедении.
Методы
Исследования были направлены на со-зданиевысокопрочного порошково-активи-рованного бетона с пониженным расходом цементного клинкера и повышенными показателями трещиностойкости и биологической стойкости за счет рационально подобранного состава, включающего композиционное вяжущее и активированную воду затворения.
Для изготовления композиционного вяжущего использованы следующие компоненты: портландцементный клинкер ОАО «Мордовцемент», зола-уноса, двуводный гипс второго сорта Порецкого месторождения, сернокислый натрий.
Изготовление композиционного вяжущего осуществлялось следующим образом. Сначала осуществляли дозирование компонентов, затем в бетоносмеситель вводили отмеренное количество композиционного вяжущего, активированную по установленным режимам работы установки воду затво-рения, 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 затво-рения 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 окисно-гидроокисные соединения меди в количестве 7...69 г/м3, образующиеся при ее прохождении между электродами электролитического модуля, один из электродов которого изготовлен из меди, анодно-рас-творяющегося с образованием с гидроксид-ионами в прикатодном пространстве ми-целлярных гидроокисных наноструктур, содержащих в связанном виде ионы одно- и двухвалентной меди (табл. 1).
Таблица 1 - Режимы активации
№ п/п Режим активации Плотность тока j, A/м2 Напряженность электромагнитного поля Н, кА/м Содержание в активированной воде окисно-гидроокисных соединений меди, г/м3
1 Э+М (1-1) 5,65 24 7.14
2 Э+М (3-3) 22,58 75 21.42
3 Э+М (6-6) 43,55 135 35.69
Таблица 2 - Содержание компонентов в составах
Состав Содержание компонентов, мас. %
Вяжущее Композиционное вяжущее Заполнитель Наполнитель Активная добавка Гиперпластификатор Вода затворения
Портландцемент М400 Портландцементный клинкер Зола-уноса Двуводный гипс Сернокислый натрий Кварцевый песок с Мф=2,1 Щебень фракции 5-10 мм Кварцевый песок фракции 0,63-5,0 мм Тонкоизмельченный известняк Золь берлинской глазури Гиперпластификатор «Peramin SMF-10» Гиперпластификатормарки «Melflux 2651 F» Неактивированная вода Активированная вода*
Прототип 25,4 - - - - 24,8 38,0 - - 0,06 0,01 - 11,8 -
1 - 16,1 6,0 0,69 0,23 - - 43,8 23,20 - - 0,21 - 9,77
2 - 16,1 6,0 0,69 0,23 - - 43,8 23,23 - - 0,21 - 9,74
3 - 16,1 6,0 0,69 0,23 - - 43,8 23,29 - - 0,21 - 9,68
* Вода, активированная по режимам, указанным в табл. 2.
Для проведения исследований из приготовленной смесиформовали образцы-кубы размерами 10x10x10 см. Выдерживали 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. Силовую характеристику трещиностойкости бетона (вязкость разрушения при статическом нагружении) определяли по ГОСТ 29167-91.
Нами было изготовлено три состава высокопрочного порошково-активированного бетона, состоящего из композиционного вяжущего, наполнителя, заполнителя, гиперпластификатора и активированной воды за-творения (табл. 2).
Испытания на биостойкость проводят по ГОСТ 9.049-91 методом 1 и 3. В качестве тест-организмов использовали следующие виды плесневых грибов: AspergШiusniger, A. flafus, A. terreus, PenicШiumcuclopium, P. funiculosum/ P. chrysogenum, Paecilomycesvarioti, Chaetomiumglobosum/ Trichodermaviride.
Результаты
В результате проведенных исследований получен высокопрочный порошково-активированный бетон, который содержит композиционное вяжущее на основе порт-ландцементного клинкера в количестве 70%, золы-уноса - 26 %, двуводного гипса -3 % и натрия сернокислого - 1 %, наполнитель - тонкоизмельченный порошок кварца, известняка с удельной поверхно-
стью 600 м2/кг, заполнитель - кварцевый песок фракции 0,63-5,0 мм, гиперпластификатор марки «МеШих 2651 F» и воду затво-рения. В качестве воды затворения использовали активированную воду, прошедшую электрохимическую и электромагнитную активацию с введением окисно-гидроокис-ных соединений меди в количестве 7...69 г/м3. Соотношение компонентов высокопрочного порошково-активированного бетона, мас. %: композиционное вяжущие -23,02; наполнитель - 23,20-23,29; заполнитель - 43,8; гиперпластификатор марки «МеШих 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 и трещиностойкости. Предлагаемые составы содержат рационально-подобранную высокотекучую реологическую матрицу с низким пределом текучести при минимуме содержания воды и низким удельным расходом вяжущего на единицу прочности [20-22]. Высокие показатели биологической стойкости высокопрочного бетона обеспечивает применение в составах биоцидного композиционного вяжущего.
Применение реакционно-активной добавки золы-уноса и реалогически-активного
тонкоизмельченного известнякового порошка обеспечивает изменение напряженно-деформированного состояния материала под воздействием внешней нагрузки в сторону уменьшения концентрации напряжений. Использование минеральных наполнителей способствует управлению структурой материала на микроуровне и соответственно его свойств, в частности, повышает параметры трещиностойкости по-рошково-активированного песчаного бетона, характеризующие упруго-вязкое состояние материала при статическом кратковременном нагружении [23].
Для улучшения биологической стойкости и реологических свойств, а следовательно уменьшения содержания цемент-
ного клинкера в составах высокопрочных бетонов, использовали электрохимически и электромагнитно-активированную воду за-творения. Действие электромагнитного поля способствует деформации и (или) разрушению водородных связей между молекулами воды в аквакомплексах (кластерах) и, вследствие этого, изменению величины поверхностного натяжения воды.Электро-химическая 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. За счет введения в раствор многовалентных
Таблица 3 - Свойства бетонов
Состав Прочность на сжатие, МПа Трещино-стойкость K, МПа-м1/2 Степень развития плесневых грибов, балл Радиус зоны ингибирования роста грибов Характеристика материала по ГОСТ 9.049.91
Метод 1 Метод 3 R, мм
Прототип 74,1 1,10 1 4 0 Негрибостоек
1 94,2 1,15 0 0 0 Фунгициден
2 94,9 1,16 0 0 1 Фунгициден
3 97,5 1,18 0 0 3 Фунгициден
ионов меди в результате электрохимического растворения электродов, 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 гидрооксидов меди (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 ге-левых структур, способствующих образованию твердой фазы с более мелкокристаллической структурой.
В процессе затворения электрохимически обработанной водой бетонных смесей окисно-гидроокисные наноструктуры органически связываются с структурными компонентами смесей, обеспечивая защиту от грибкового воздействия образующегося материала. 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 [24, 25].
Заключение
Разработанный в ходе исследований высокопрочный порошково-активирован-ный бетон на основе композиционного вяжущего с применением активированной воды затворения удовлетворяет всем поставленным задачам. Получен высокопроч-
ный бетон со сниженным расходом цементного клинкера - 16,1мас. % (прототип -25,4мас. %) и высокой прочностью при сжатии в возрасте 28 сут-94,2-97,5 МПа (прототип - 74,1 МПа). Таким образом, по сравнению с известными бетонами разработанные составы позволяют получать высокопрочные бетоны с высокими показателями трещиностойкости и биологической стойкости. Статический критический коэффициент интенсивности напряжений при статическом нагружении материала составляет 1,15-1,18 МПа-м1/2 (прототип - 1,10 МПа-м1/2), а сами составы являются фунги-цидными (прототип - негрибостоек).
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 трещиностойкости и биологическому сопротивлению.
Библиографический список
1. Акчурин, Т.К. Теоретические и методологические вопросы определения характеристик трещиностойкости бетона при статическом погружении / Т.К. Акчурин, А.В. Ушаков. - Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2005. 408 с.
2. Скрипкюнас, Г. Изменение реологических свойств наномодифицированных цементных систем / Г. Скрипкюнас [и др.] // Промышленное и гражданское строительство. 2017. № 2. С. 43-50.
3. Калашников, В.И. Роль дисперсных и тонкозернистых наполнителей в бетонах нового поколения / В.И. Калашников [и др.] // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2014. № 7. С. 11-21.
4. Сулейманова, Л.А. Высокоплотные составы вибропрессованных бетонов / Л.А. Сулейманова, И.А. Погорелова, М.В. Малюкова // Вестн. БГТУ им. В. Г. Шухова. 2011. № 3. С. 4850.
5. Ткач, Е.В. Технологические аспекты получения высокоэффективных модифицированных
бетонов заданных свойств / Е.В. Ткач [и др.] // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 4. С. 65-67.
6. Фаликман, В.Р. Новые эффективные высокопрочные бетоны / В.Р. Фаликман // Бетон и железобетон. Оборудование. Материалы. Технологии. 2011. № 1. С. 48-54.
7. Шейнфельд, А.В. Контроль качества высокопрочных бетонов классов В60 и В90 при возведении монолитных конструкций / А.В. Шейнфельд, Ю.А. Киселева, Л.В. Путырская // Строительные материалы. 2012. № 1. С. 7-10.
8. Яковлев, Г.И. Высокопрочный бетон с дисперсными добавками / Г.И. Яковлев, Г.Д. Федорова, И.С. Полянских // Промышленное и гражданское строительство. 2017. № 2. С. 3542.
9. Design and Control of Concrete Mixtures. The Guide to Application, Methods, and Materials. Eighth Canadian Edition // Cement Association of Canada. - Ottawa, 2011. 411 p.
10. Калашников В. И. Бетоны: макро-, нано- и пикомасштабные сырьевые компоненты. Реальные нанотехнологии бетонов // Дни современного бетона. От теории к практике - Запорожье, 2012. - С. 38-50.
11. Калашников, В.И. О применении комплексных добавок в бетонах нового поколения / В.И. Калашников, О.В. Тараканов // Строительные материалы. 2017. № 1-2. С. 62-67.
12. Калашников, В.И. Порошково-активи-рованные тонкозернистые сухие бетонные смеси для производства различных бетонов / В.И. Калашников, В.М. Володин // Молодежный инновационный форум УлГТУ. - Ульяновск, 2011 - С.67-70.
13. Калашников, В.И. Суспензионно-наполненные бетонные смеси для порошково-активированных бетонов нового поколения / В.И. Калашников, В.Т. Ерофеев, О.В. Тараканов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2016. № 4(688). С. 30-37.
14. Калашников, В.И. Что такое порош-ково-активированный бетон нового поколения / В.И. Калашников // Строительные материалы. 2012. № 10. С. 70-71.
15. Калашников В.И. Терминология науки о бетоне нового поколения // Строительные материалы. 2011. №3. С. 103-106.
16. Бабич М. В. Добавка известняка в цемент / М. В. Бабич, Э. Е. Киряева // Бетон и железобетон. - 2006.
17. Бабкин Л.И. Определение прочности бетона на карбонатных заполнителях ультразвуком // Бетон и железобетон. 1981. № 11.
18. Соломатов, В.И. Бетоны с наполнителями / В.И. Соломатов [и др.] // Композиционные строительные материалы. - Саранск, 1987. С. 20-22.
19. Бабич, М.В. Добавка известняка в цемент / М.В. Бабич, Э.Е. Киреева
20. 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
21. Калашников, В.И. Высокопрочные бетоны нового поколения / В.И. Калашников, И.В. Ерофеева // Materials of the XII International scientific and practical conference «Science without borders». - Sheffield, 2016. Р. 82-84.
22. Калашников, В.И. Высокопрочные бетоны нового поколения с низким удельным расходом цемента на единицу прочности / В.И. Калашников, В.М. Володин, И.В. Ерофеева // Матер. Междунар. научно-практ. конф. - Praha, 2015. С. 65-67.
23. Баженов, Ю.М. Теоретическое обоснование получения бетонов на основе электрохимически и электромагнитноактивированной воды затворения / Ю.М. Баженов [и др.] // Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2012. № 2(22). С. 4.
24. 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.
25. Technology, structure formation and properties of foam concrete on activated water of mixing / N. Karpenko, V. Erofeev, D. Emelianov [et. al.] // Proceedings of the Creative Construction Conference. 2018. P. 213-219.
Поступила в редакцию 13.09.2021 г.
CREATION OF HIGH-STRENGTH CONCRETE WITH IMPROVED BIOLOGICAL RESISTANCE INDICATORS BASED ON A COMPOSITE BINDER
© 2021 D.V. Emelyanov, I.V. Erofeeva, H.B. Matyakubov, A.M. Ahmedov*
The article presents the results of creating high-strength powder-activated concrete with reduced consumption of cement clinker and increased crack resistance and biological resistance due to a rationally selected composition, including a composite binder and activated mixing water. The essence of the invention consists in the fact that high-strength powder-activated concrete contains a composite binder based on Portland cement clinker in the amount of 70%, fly ash - 26%, two - water gypsum - 3% and sodium sulfate - 1%, filler - finely ground quartz powder, limestone with a specific surface area of 600 m2/kg, filler-quartz sand fraction 0.63-5.0 mm, hyper plasticizer brand "Melflux 2651 F" and water of mixing. As the hardening water, it contains mixing water that has undergone electrochemical and electromagnetic activation with the introduction of copper oxide-hydroxide compounds in the amount of 7...69 g/m3. The produced building materials can be used in the production of concrete structures and products based on cement binder for civil, industrial, and special-purpose buildings and structures, including buildings and structures whose structures have high requirements for crack resistance and biological resistance.
Keywords: powder-activated concretes, self-compacting concretes, plasticizers, fillers, crack resistance, 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; 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).
