CC BY
189
УДК 691.5 DOI: 10.22227/1997-0935.2019.3.322-331
Структура и свойства мелкозернистых бетонов на основе
композиционных вяжущих
А.И. Харченко1, В.А. Алексеев2, И.Я. Харченко2, Д.А. Баженов2
1 Ингеострой, 109147, г. Москва, ул. Калитниковская, д. 7; 2 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26
АННОТАЦИЯ
Введение. Широкое внедрение мелкозернистых бетонов (МЗБ) в практику монолитного домостроения ограничивается их низкой трещиностойкостью в связи со значительной усадкой. С целью снижения вредного влияния усадки на структуру и свойства МЗБ предлагается применить для их изготовления композиционные вяжущие, включая расширяющиеся цементы на сульфоалюминатной основе. Использование МЗБ с улучшенными физико-техническими свойствами повышает технологичность возведения сооружений, снижает трудоемкость бетонирования, позволяет возводить конструкции сложных архитектурных форм.
Материалы и методы. С целью исследования процессов структурообразования и свойств МЗБ изготавливались бетонные смеси на основе кварцевого песка средней зернистости, дисперсной золы уноса и расширяющейся добавки. Активность золы уноса повышалась за счет механохимической активации, дисперсность частиц контролировалась с помощью метода лазерной гранулометрии. Композиционное вяжущее приготавливалось путем тщательной гомогени-Ф ® зации базового портландцемента СЕМ 42,5 и минеральных наполнителей различного вида, включая расширяющуюся
добавку на основе сульфоалюмината кальция. Для каждого состава моделировались условия твердения определен-сч сч ной степени влажности с последующим определением технических характеристик бетона.
рУ рУ Результаты. Приведены результаты исследования влияния различных минеральных добавок, отличающихся мине-
¡й (ц ральным составом, дисперсностью и степенью гидравлической активности на величину и кинетику усадки, параме-
тры поровой структуры и прочность МЗБ, установлено влияние величины расширения на характеристики поровой структуры МЗБ и его прочностные показатели. Определено влияние условий твердения на МЗБ различного состава, зафиксирована значительная степень влияния поддержания оптимальных влажностных условий при гидратации на технические свойства МЗБ.
Выводы. Установлено, что введение в состав базового портландцемента до 10 % расширяющегося компонента 2 £ на сульфоалюминатной основе позволяет получать МЗБ с повышенной трещиностойкостью, непроницаемостью и
О — долговечностью.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: расширение цементного камня, минеральные наполнители, композиционное вяжущее, с гидросульфоалюминат кальция, структурообразование цементного камня, микронаполнитель, мелкозернистый бетон
л
М Tf
ф <u
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Харченко А.И., Алексеев В.А., Харченко И.Я., Баженов Д.А. Структура и свойства с мелкозернистых бетонов на основе композиционных вяжущих // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. Вып. 3. С. 322-331. DOI:
О ш 10.22227/1997-0935.2019.3.322-331
о
О
со О
со ч-
4 °
о
со -Ъ
гм <л
z ®
ОТ ^
Structure and properties of fine concretes based on composite binders
Aleksey I. Kharchenko1, Vyacheslav A. Alekseev2, Igor' Ya. Kharchenko2, Dmitriy A. Bazhenov2
.2 1 Ingeostroy, 7Kalitnikovskaya st., Moscow, 109147, Russian Federation;
cl 55 2 Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU),
lo 5 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation
CO o ____
05 ™ -
9 8
£¡5 2 ABSTRACT
o Introduction. Wide introduction of fine concretes in the practice of monolithic building construction is limited by their low
2 crack resistance due to considerable shrinkage. To reduce the shrinkage adverse effect on structure and properties of the
OT c fine concretes, it is suggested to use for their preparation composite binders, including expanding sulphoaluminate-based
— aj cements. Using the fine concrete with enhanced physical and technical properties improves produceability of construction,
o reduces labor input of concrete casting and allows building installations of complicated architectural forms.
2 Material and methods. To study processes of fine concrete structure formation and properties, concrete mixes were prepared on the base of medium silica sand, dispersed ash entrainment and expanding additive. Activity of the ash entrainment
3 increased at the expense of mechanical and chemical activation. Dispersity of the particles was monitored by means of laser {§ granulometry. The composite binder was prepared by means of thorough homogenization of the basic CEM 42.5 Portland
cement and different sorts of mineral aggregates, including an expanding additive based on calcium sulphoaluminate. Maturing conditions at a certain moisture content were simulated for every composition with subsequent evaluation of I "¡= concrete performance.
¡3 ^ Results. Results of the study include effect of different mineral additives distinguishing in mineral composition, dispersivity
and degree of hydraulic activity on shrinkage amount and kinetics, fine concrete porous structure parameters and strength. It is understood that amount of expansion has an effect on porous structure characteristics of the fine concrete and its
322
© А.И. Харченко, В.А. Алексеев, И.Я. Харченко, Д.А. Баженов, 2019
strength performance. The study assessed an influence of maturing conditions on the various-composition fine concrete. A considerable influence of maintaining optimal moisture content during hydration on fine concrete technical properties is committed.
Conclusions. It is understood that introduction of up to 10 % of expanding sulphoaluminate-based component in basic Portland cement allows to obtain fine concrete with enhanced crack resistance, impenetrability and longevity.
KEYWORDS: cement stone expansion, mineral aggregates, composite binder, calcium hydrosulphoaluminate, cement stone structure formation, microaggregate, fine concrete
FOR CITATION: Kharchenko A.I., Alekseev V.A., Kharchenko I.Ya., Bazhenov D.A. Structure and properties of fine concretes based on composite binders. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2019; 14:3:322-331. DOI: 10.22227/1997-0935.2019.3.322-331
ВВЕДЕНИЕ
В связи с интенсивным развитием монолитного домостроения в РФ, появлением нетиповых авторских конструкций со сложными геометрическими формами, требующих применения густоармирован-ных конструкций появилась необходимость более широкого внедрения в практику строительства мелкозернистых высокоподвижных бетонных смесей. Качественное бетонирование для таких конструкций является сложной задачей ввиду наличия труднодоступных зон в арматурном каркасе, затрудняющих равномерное распределение бетонной смеси в объеме возводимых конструктивных элементов. Применение мелкозернистых бетонных смесей литой консистенции или самоуплотняющихся бетонных смесей, позволяет не только обеспечить качественное бетонирование, но и эффективно применять бетононасосы различных видов, существенно сокращая трудозатраты на возведение сложных монолитных железобетонных конструкций [1, 2].
Необходимость широкого внедрения в строительную практику мелкозернистых бетонов (МЗБ) обусловлена также тем, что во многих регионах России имеется острый дефицит качественного крупного заполнителя, необходимого для приготовления эффективных бетонов и железобетонных конструкций, а на рынке строительных материалов отсутствуют предложения на поставку многофракционных заполнителей, необходимых для приготовления самоуплотняющихся бетонов. При этом в настоящее время накоплен достаточный опыт применения МЗБ с классом по прочности В30...В60. Однако при всех достоинствах использования МЗБ для монолитного домостроения следует учитывать ряд факторов, сдерживающих их широкое применение для возведения строительных конструкций различного назначения, а именно: повышенный расход цемента и, связанная с этим, повышенная усадка, высокие показатели пористости, низкая трещиностойкость и т.д. [3]. Кроме того, ввиду отсутствия в их составе крупного заполнителя, формирующего жесткий
каркас в структуре обычного бетона, МЗБ характеризуются повышенной ползучестью и деформатив-ностью [4, 5], что требует разработки и реализации специальных конструктивных и технических решений, снижающих эффективность применения МЗБ в строительных конструкциях [6, 7].
Эффективный способ устранения вредного влияния усадки на структуру и свойства МЗБ — использование расширяющихся добавок (РД). Введение в состав вяжущего РД позволяет активно влиять на развитие процессов структурообразования цементного камня и бетона на ранней стадии твердения [8]. В этот период развиваются все виды усадочных деформаций, они — основная причина образования трещин, которые далее становятся очагами коррозии бетона и арматуры, ограничивающих или полностью исключающих эксплуатационную пригодность бетонных и железобетонных конструкций [9].
Из всего многообразия РД, различающихся по химическим реакциям, лежащим в основе развития процессов расширения, наиболее эффективными и приемлемыми с практической точки зрения, представляются РД на основе сульфоалюмината кальция, продукт их гидратации — эттрингит [10]. Гидратация вяжущего, включающего в себя расширяющий компонент, сопровождается двумя параллельными процессами: с одной стороны, развитием всех видов усадочных деформаций, сопровождающих твердение портландцемента, как сопутствующей части процесса гидратации при формировании структуры цементного камня; с другой стороны — развитием процесса расширения, как результата химической реакции при образовании эттрингита [12].
При введении в состав вяжущего минеральных микронаполнителей (в частности, тонкодисперсных порошков на минеральной основе, характеризующихся самостоятельной гидравлической активностью), помимо заполнения межзерновых пустот базового портландцемента, проявляется такой положительный фактор как способность к возникновению гидратационных новообразований, являющихся дополнительными структурообразующими
< п
iiï kK
о
0 CD CD
1 n (О сл
CD CD
О 3 о
s (
S P
r s
1-й
>< о
f -
CD
i S v Q
П о
i i
n n
CD CD CD
n
л ■ . DO
" г
s □
s у с о <D D WW
M 2 О О л —ь
(О (О
№ ®
г г
О О
СЧ СЧ
(О (О К (V и 3
> (Л С (Л
аа ^
ИЛ
<и <и
С С
1= '«?
О Ш
о ^ о
со О
СО ч-
4 °
о
со &
гм £
от
га
5ь
со О О) "
О)
"о
2 от ОТ £= ОТ ТЗ — Ф Ф О О
с «я
О (О
во £
элементами, связывающими свободную воду, которая размещается в межзерновом пространстве базового портландцемента [13].
Благодаря этому снижается общее количество пор, а также повышается плотность контакта «цементный камень - заполнитель» [14]. При назначении дозировки микронаполнителя (МН), проявляющего гидравлическую активность за счет связывания свободного гидроксида кальция, необходимо руководствоваться не только принципом наиболее полного заполнения межзерновых пустот в базовом вяжущем, но и сохранять достаточный щелочной потенциал цементного теста [15]. В этой связи, при назначении состава композиционного вяжущего, необходимо оптимизировать дозировки МН и не превышать критическое содержание активного наполнителя с учетом его степени дисперсности и гидравлической активности.
Улучшение технических свойств МЗБ возможно за счет формирования оптимального зернового состава вяжущего, когда межзерновое пространство крупных зерен замещается более мелкими частицами. При введении в состав базового вяжущего оптимально подобранных составов МН, в межзерновом пространстве частиц цемента обеспечивается замещение свободной (несвязанной) воды, что становится важной предпосылкой для получения высококачественного МЗБ [16].
При применении МН, обладающих самостоятельной гидравлической активностью, обеспечивается повышение плотности и прочности цементного камня за счет дополнительного количества гидрат-ных новообразований [17]. В этой связи введение в состав базового портландцемента РД оказывает комплексное влияние на развитие процессов струк-турообразования цементного камня и свойства МЗБ.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для получения высококачественных МЗБ применялись тонкодисперсные минеральные наполнители с полифракционным составом зерен, которые заполняют межзерновую пустотность базового портландцемента и обеспечивают эффективное распределение воды между элементами структуры. При этом наполнители выступают активным структурообразующим элементом при развитии процессов твердения композиционных вяжущих. Особый практический интерес представляет применение МН, прошедших механохимическую обработку, в результате которой существенно повышается их дисперсность и гидравлическая активность. В результате механохимической активации увеличивается удельная поверхность обрабатываемых наполнителей, изменяется структура их поверхности из-за формирования дефектов в кристаллической решетке минералов, что повышает их гидравлическую активность. Проведенные ранее исследования
позволили установить, что активность минеральных наполнителей увеличивается с размером частиц менее 1 мкм и существенно возрастает при размере от 100 нм. В этой связи, для получения активного МН использовался активатор модификации АКРК с рабочей камерой кольцевого типа, предназначенный для сухой диспергации минеральных порошков, в котором скорость соударения частиц материала в процессе активации достигает 80 м/с.
Исследования свойств МЗБ выполнялись на портландцементе ПЦ500-Д0 Воскресенского цементного завода, с нормальной густотой 27,5 %, который рассматривался в качестве базового цемента при приготовлении композиционных вяжущих. В качестве мелкого заполнителя применялся кварцевый песок с р = 1,61 г/см3, р = 2,63 г/см3, пустотностью П = 39, модулем крупности Мк = 2,8, водопотребностью Вп = 7 %.
В качестве гидравлически активного МН использовался микрокремнезем, состоящий преимущественно из мелких сферических частиц со средним диаметром 0,1 мкм, а также зола уноса ТЭЦ-22 (г. Москва), которая была подвергнута предварительной механохимической активации. Химический анализ показал, что зола уноса содержит свободного СаО около 10 % и А1203 — свыше 20 %. Дисперсность МН фиксировалась с использованием лазерного гранулометра Mastersizer 2000.
РД приготавливалась на основе гомогенизации метакаолина и тонкодисперсного ангидрита в стехи-ометрическом соотношении, необходимом для образования эттрингита. В качестве пластифицирующей добавки применялся суперпластификатор С-3 (ТУ 5745-004-43184789-05).
При анализе дисперсности золы уноса установлено, что в ее составе содержатся частицы диаметром от 10 до 20 мкм в количестве 65 %.
Изучение свойств МЗБ литой консистенции выполнялось на бетонах класса В60. Исследования проводились на следующих составах бетонов: 1:21; 1:2.64; 1:2,9; при композиционном вяжущем от 550 до 700 кг/м3, в качестве наполнителя применялась комплексная добавка в виде активированной золы уноса и микрокремнезема, с использованием суперпластификатора С-3 в количестве от 0,8 до 1,8 % от массы цемента.
Рассматривалось влияние РД на основные свойства МЗБ класса по прочности В60 с подвижностью П5, соответствующих прочности при сжатии 77,6 МПа. Бетонные смеси изготавливались с водоцементным отношением В/Ц = 0,43 и при В/В отношении В/(КВ) = 0,38. Полученная подвижность бетонной смеси составила 26,5 см расплыва конуса, средняя плотность свежеуложенной бетонной смеси — 2155 кг/м3. Для исследования свойств бетона изготавливались образцы-кубы размером 10 х 10 х 10 см. Деформации твердеющего МЗБ определялись на образцах 4 х 4 х 16 см на приборе
ИЗВ-1 при влажности окружающей среды 60-80 % и температуре 17-20 °С. Измерения производились в течение 50 сут до стабилизации деформаций.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В соответствии с разработанной программой выполнены исследования влияния исходной золы уноса на свойства бетонной смеси и прочность МЗБ состава 1:2. При сокращении расхода цемента на 10, 20, 30 %, расход наполнителя рассчитывался из условия сохранения объема цементного теста. Результаты исследований представлены в табл. 1.
Как видно из табл. 1, увеличение содержания золы уноса с 37 до 111 кг/м3 в составе МЗБ повысило подвижность смеси с 19,5 до 24,5 см расплыва стандартного конуса на встряхивающем столике.
Прочность снизилась с 40,3 до 29,1 МПа. При этом общая пористость исследуемых составов находилась в пределах 23,3...23,9 %. Изучение влияния комплексной добавки, состоящей из активированной золы уноса и микрокремнезема, на свойства бетонной смеси и прочность МЗБ при расходе композиционного вяжущего в количестве 650 кг/м3 показало, что при расходе активированной золы уноса до 10 % и расходе микрокремнезема до 10 % от массы вяжущего с использованием суперпластификатора С-3 в количестве 0,6 % от массы вяжущего, прочность при сжатии достигает 75 МПа (табл. 2).
Повышение подвижности бетонной смеси связано также с наличием в наполнителе стекловидных зерен шарообразной формы (рис. 1).
Дальнейшее увеличение расхода МН в составе композиционного вяжущего сопровождается резким
Табл. 1. Состав и свойства испытываемых бетонных смесей Table 1. The composition and properties of the tested concrete mixes
№ п/п / No. Расход материалов, кг/м3 / Materials consumption, kg/m3 В/В / / Water/ D, см / D, cm R , МПа / р R , MPa s' R , МПа / сж' R , MPa com' П, % / Porosity, %
Ц / Cement П / Cavitation В / Water ЗУ / Fly ash binder ratio
1 500 1000 200 — 0,4 19,5 31,7 40,3 23,4
2 450 1000 200 37 0,41 23 27,1 34,3 23,3
3 400 1000 200 74 0,42 23,5 25,5 32,3 23,9
4 350 1000 200 111 0,43 24,5 27,7 29,1 23,7
£ n
(D (D
t О
i н
G Г
s С
u о
с ■?
•
P
о о CD
CD _
О- S
Рис. 1. Размещение активированной золы уноса в структуре цементного камня Fig. 1. Placement of activated fly ash in the structure of cement stone
CQ СЛ
M 7
s 9 8 3 « ( tr a n
t J
CD )
ns
с0 со
|3
О о
0 -
-h СП
1 2 v о 1 о
По i i п П
CD CD
CD 4~'
i n
CQ
f?
. n
■ V s 3
s У
с о ? ?
M 2 О О ■i а
(О (О
Табл. 2. Состав и свойства испытываемых бетонных смесей с комплексной добавкой
Table 2. The composition and properties of the tested concrete mixes with complex additive
№ п/п / No. Кол-во активированной золы уноса, % / Amount of activated fly ash, % Расход материалов, кг/м3 / Materials consumption, kg/m3 R , МПа / сж' R , MPa com' Y , кг/м3 / • св' Yv kg/m3
Ц / Cement П / Cavitation В / Water ЗУ / Fly ash С-3 МК / Microsilica
1 10 520 1558 183 65 3,9 65 75 2,391
2 30 390 1520 183 195 3,9 65 42,4 2,353
3 50 325 1428 183 325 3,9 65 7,6 2,326
№ О
г г
О О
сч сч
ci ri К (V U 3 > (Л С (Л
он *
ÎÎ
ф
ф ф
CZ £
1= '«?
О ш
о ^ о
со О
CD ч-
4 °
о со ГМ
от
падением прочности при сохранении заданной подвижности, что позволяет обеспечить эффективное применение МЗБ для изготовления конструкций с классом бетона по прочности В30 и ниже.
Анализ результатов экспериментальных исследований представленных в табл. 3 показал, что обеспечив тщательный уход за МЗБ с РД в период наиболее активного твердения до 7...14 сут путем создания оптимальных температурно-влажностных условий возможно получить бетон с высокими показателями по прочности, трещиностойкости и долговечности.
Для реализации всех потенциальных позитивных свойств МЗБ с РД, необходимо не только полное связывание алюминатов кальция [16, 17] в период, когда структура матрицы находится в упруго-пластичном состоянии [18] и способна деформироваться без образования трещин [19], но и создание оптимальных температурно-влажност-ных условий твердения [20], исключающих развитие градиента собственных напряжений по сечению твердеющего бетона [21].
При практическом применении расширяющихся цементов и бетонов на их основе необходимо иметь ввиду, что на начальном этапе твердения их структура является более чувствительной, требует исключения влагопотерь и тщательного ухода после завершения бетонирования. В противном случае риск образования трещин по поверхности бетонных и железобетонных конструкций существенно выше, чем при применении обычных строительных цементов.
Влажное хранение и тщательный уход за твердением расширяющихся бетонов необходимо обеспечить как минимум в период до 7 сут после завершения бетонирования, пока прочность ПЦ-матрицы достигнет показателя, необходимого для восприятия растягивающих напряжений, возникающих при развитии внутренних напряжений (рис. 2).
Многочисленные исследования процесса образования структуры МЗБ с РД при относительной влажности около 100 % или при хранении в воде показали, что кинетика процесса расширения, степень гидратации ПЦ-матрицы, количество образованно-
ф
>
Табл. 3. Влияние РД на свойства МЗБ
Table 3. The effect of the expanding additive on the properties of the fine-grained concrete
Составы СУ МЗБ / Compositions of superplasticizer of fine-grained concrete Прочность, 28 сут, МПа / Durability, 28 days, MPa Коэффициент вязкого разрушения Кс, МПа х м1/2 / The coefficient of ductile fracture Kc, MPa х m1/2
при сжатии / at compression при растяжении / at stretching
На основе базового ПЦ / Based on BPC 40,4 3,85 2,23
На основе ПЦ + АЗ / / Based on BPC + AFA 41,6 3,96 2,85
На основе ПЦ + АЗ + МК / Based on BPC + AFA + MC 46,7 5,11 3,17
На основе ПЦ + АЗ + РД / Based on BPC + AFA + EA 53,1 6,18 3,64
На основе ПЦ + АЗ + МК + РД / Based on BPC + AFA + MC + EA 55,6 7,15 3,87
ф
ÛL от
« I
со О 05 ™
9 8
о ? °
Z от ОТ с
ОТ ТЗ — ф
ф
о о
с w ■8
ïl
О (Л
Примечание: ПЦ — базовый портландцемент; АЗ — активированная зола уноса; МК — микрокремнезем; РД — расширяющаяся добавка.
Note: BPC — base portland cement; AFA — activated fly ash; MC — microsilica; EA — expanding additive.
Рис. 2. Влияние условий ухода на прочность и расширение МЗБ: 1-28 сут в воде; 2.. .7 — в воздушно-сухих условиях при достижении прочности в % марочной, соответственно, 10 % (2); 20 % (3); 35 % (4); 50 % (5); 75 % (6); 100 % (7) Fig. 2. The effect of care conditions on the strength and expansion of fine-grained concrete: 1-28 days in water; 2 ...7 — in air-dry conditions, when the strength is reached in % brand, respectively, 10 % (2); 20 % (3); 35 % (4); 50 % (5); 75 % (6); 100 % (7)
< П
I*
iiï
kK
го эттрингита и достижимая величина расширения в обоих случаях являются соизмеримыми [5, 7, 15].
Это означает, что количество воды затворения является достаточным для полной реализации потенциала расширения при твердении. Образцы расширяющегося цемента (РЦ), твердеющего в воде, имели по поверхности достаточно густую сеть трещин с шириной раскрытия до 0,5 мм. Образцы этого же расширяющегося бетона при хранении в условиях 100 % отн. влажности, напротив, даже при экстремально высокой величине расширения до 10 % не имеют трещин, хотя в целом их структура — достаточно рыхлая с низкой плотностью и прочностью. Анализ продуктов гидратации образцов, твердеющих при различных условиях, показал, что при хранении образцов РЦ в воде образуется тонкокристаллический волокнистый эттрингит с соотношением L/d = 40...60. При влажном хранении эттрингит кристаллизуется в классической форме в виде относительно коротких и толстых шестигранных игл с L/d = 15...20. Такие существенные отличия в морфологии образующегося эттрингита могут быть объяснены различным содержанием ионов в поровом растворе и, особенно, разной величиной рН в реакционной среде. При хранении в воде, под влиянием градиента концентраций, из структуры цементного камня, контактирующего с водой, частично вымывается гидроксид кальция, что ведет к снижению концентрации Са- и прежде всего
ОН-ионов. Это сопровождается образованием тонковолокнистого эттрингита в соотношении ЬМ = 40 и более. Как показали проведенные исследования, эттрингит с такой морфологией при хранении в воздушно-сухих условиях (20 °С, 65 % отн. влажность) находится в неустойчивом состоянии и быстро перекристаллизовывается в моносульфат [21], что сопровождается снижением прочности цементного камня и бетона [22]. Этим объясняется образование трещин при хранении в воде бетонов на расширяющихся цементах с большим потенциалом расширения до 10 %, когда контактный слой расширяющегося цементного камня разрыхлялся под влиянием капиллярного подсоса [23], сопровождающегося развитием собственных напряжений в поперечном сечении [24]. Кроме того, гидроксид кальция растворяется и вымывается из порового пространства, понижая величину рН, следствием чего является образование тонкокристаллического волокнистого эт-трингита, что сопровождается ослаблением структуры цементного камня в контактной зоне [25].
Таким образом, при хранении в воде, развивающийся процесс расширения сопровождается наложением растягивающего напряжения в связи с образованием эттрингита с разуплотнением, вследствие капиллярного подсоса в зоне контакта с водной средой. Это ведет к формированию дополнительных напряжений в наружных слоях бетона, проявляющихся в образовании густой сети трещин
о
0 CD CD
1 П (О сл
CD CD
О 3 о CJ
о (
S P
r о
Ю
>< о
0 -
СО
1
v Q
П о
i i
П П
CD CD CD
fM
л ■ . DO
■ т
s 3
s у
с о ? ?
WW M M
о о
л —ь
(О (О
m о
г г
О О
N N
ММ
К Ш
U 3
> (Л
С (Л
U *
ÎÎ
ф Ф
CZ £
1= '«?
О Ш
о ^ о
со О
СО ч-
4 °
о
СО
гм £
от
га
ÛL от
« I
со О
О) "
СП
"о
Z CT ОТ С
ОТ ТЗ — ф
ф
о о
с W
■а
О (О
по поверхности. Следует отметить, что образование поверхностных трещин характерно в случаях применения расширяющихся цементов с экстремально высоким потенциалом расширения до 10 %. Однако описанный процесс особенностей формирования структуры цементного камня на расширяющихся цементах при хранении в воде характерен и для всех других расширяющихся цементов, включая РЦ с небольшим потенциалом расширения до 1 % [26].
На основании вышеизложенного можно сделать следующие важные выводы, учитывающие особенности технологии бетонов на расширяющихся цементах: для реализации всех потенциальных возможностей расширяющихся цементов и обеспечения полного развития процесса расширения отсутствует необходимость хранения в воде. Вполне достаточным является обеспечение влажностного хранения, исключающего потерю воды затворения в период до 14 сут. Благодаря этому при гидратации расширяющихся цементов формируется свободная от трещин структура цементного камня, независимо от величины потенциала расширения. Выдерживание в воде целесообразно только при значительном содержании РД более 15 %, значительном потенциале расширения и обязательном плоском или объемном ограничении деформаций расширения.
Как уже отмечалось выше, при эксплуатации строительных конструкций на основе расширяющихся цементов на воздухе возникают не только физические изменения структуры бетона из-за возникновения градиента влажности, а также наблюдаются изменения продуктов гидратации под влиянием углекислого газа, находящегося в воздухе. При этом гидроксид кальция под влиянием СО2 преобразуется в карбонат кальция, что ведет к развитию, так называемой, карбонатной усадки, которую следует учитывать в общем объеме усадочных деформаций. Несмотря на то, что доля карбонатной усадки не превышает 20 % от общего объема усадки для расширяющихся бетонов, важным элементом структуры которых является эттрингит, воздействие диоксида углерода оказывает более значительное влияние. В связи с перекристаллизацией гидроксида кальция и образования кальцита понижается показатель рН в поровом растворе, что сопровождается разложением эттрингита с образованием моносульфата [15, 27].
На основании анализа результатов экспериментальных исследований установлено, что при увеличении продолжительности ухода с 3 до 7 сут, глубина карбонизации уменьшается с 8 до 3 мм, а при уходе в период до 14 сут она не превышает 1,5.2 мм. При этом доля открытых капиллярных пор в общем объеме порового пространства снижается соответственно с 36 до 12 % с преимущественным содержанием пор от 10 до 300 нм. Таким образом, для обеспечения заданного качества бетонов на расширяющихся цементах крайне важным является организация качественного последующего после завершения бетонирования.
Исследования долговечности сборных и монолитных железобетонных ограждающих конструкций (наружные стеновые панели, конструкции беспокровных железобетонных крыш), изготовленных на основе бетонов с РД, которые эксплуатировались длительное время в различных природно-климатических условиях, показали, что вследствие развития усадочных деформаций, потери величины самонапряжения не превышают 55 % при сохранении проектных прочностных показателей. При этом сохранившийся уровень самонапряжения обеспечивал заданные требования по трещиностойкости, а показатели по прочности, водонепроницаемости и морозостойкости были существенно выше, чем для обычных бетонов на основе портландцемента [12, 15, 17].
ВЫВОДЫ
Установлено, что введение в состав базового портландцемента тонкодисперсных МН с различной гидравлической активностью позволяет получать высококачественный МЗБ литой консистенции, соответствующий по своим свойствам самоуплотняющимся бетонным смесям. Применение комплексных минеральных наполнителей, содержащих в своем составе РД на сульфоалюминатной основе, позволяет получать МЗБ с остаточным расширением, обладающие повышенной прочностью, трещиностойкостью и долговечностью. Для реализации всех потенциальных возможностей расширяющихся цементов, достаточно вместо выдерживания в водных условиях, обеспечить исключение влагопотерь в период до 14 сут.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bazhenov Y., Bulgakov B., Alexandrova O. Modified fine-grained concrete for facing and repair of the hydraulic structures // MATEC Web of Conferences 5th International Scientific Conference «Integration, Partnership and Innovation in Construction Science and Education», IPICSE 2016. 2016. P. 03009. DOI: 10.1051/ matecconf/20168603009
2. Adamtsevich A., Pustovgar A. Effect of modifying admixtures on the cement system hydration kinetics // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 725726. Pp. 487-492. DOI: 10.4028/www.scientific.net/ AMM.725-726.487
3. Bakhrakh A., Solodov A., Larsen O., Naruts V., Aleksandrova O., Bulgakov B. SCC with high volume of
fly ash content // MATEC Web of Conferences International Science Conference SPbWOSCE-2016 «SMART City». 2017. Vol. 106. P. 03016. DOI: 10.1051/matec-conf/201710603016
4. Баженов Ю.М., Чернышов Е.М., Коротких Д.Н. Конструирование структур современных бетонов: определяющие принципы и технологические платформы // Строительные материалы.
2014. № 3. С. 6-14.
5. Харченко И.Я., Харченко А.И., Алексеев В.А., Баженов Д.А. Применение расширяющихся цементов для фибронабрызгбетона при строительстве подземных сооружений // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. № 3 (102). С. 334-340. DOI: 10.22227/19970935.2017.3.334-340
6. Qi Cao, Zhongguo John Ma. Structural behavior of FRP enclosed shrinkage-compensating concrete (SHCC) beams made with different expansive agents // Construction and Building Materials.
2015. Vol. 75. Pp. 450-457. DOI: 10.1016/j.conbuild-mat.2014.11.045
7. Chartschenko I., Stark J. Steuerung des Strukturbildungsprozesses bei Quellzementen sowie Betonen auf deren Basis // Wiss. Zeitschr. Hochsch. Arch. BauwesenWeimar. 1993. Vol. 39 (3). Pp. 163-171.
8. Alekseev V.A., Bazhenov Yu.M., Bazheno-va S.I., Bazhenova O.Yu., Golovashchenko N.A., Mi-ronchuk N.S. Modified binder for sprayed concrete // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2018. № 5 (1005). С. 18-19.
9. Yu H., Wu L., Liu W.V., Pourrahimian Y. Effects of fibers on expansive shotcrete mixtures consisting of calcium sulfoaluminate cement, ordinary Portland cement, and calcium sulfate // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2018. Vol. 10. Issue 2. Pp. 212-221. DOI: 10.1016/j.jrmge.2017.12.001
10. Bazhenov Y.M., ZagorodnjukL.H., Lesovik V.S., Yerofeyeva I.V., Chernysheva N.V., Sumskoy D.A. Concerning the role of mineral additives in composite binder content // International Journal of Pharmacy and Technology. 2016. Vol. 8. No. 4. Pp. 22649-22661.
11. Odler I., Jawed I. Expansive reactions in concrete // Materials science of concrete II. American Ceramic Society: Westerville. 1991. Pp. 221-248.
12. Chartschenko I. Theoretische grundlagen zur anwendung von quellzementen in der Baupraxis- Habilitation. BRD. Weimar, 1995. P. 198.
13. Carballosa P., García Calvo J.L., Revuelta D., Sánchez J.J., Gutiérrez J.P. Influence of cement and expansive additive types in the performance of self-stressing and self-compacting concretes for structural elements // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 93. Pp. 223-229. DOI: 10.1016/j.conbuild-mat.2015.05.113
14. Bazhenov Y.M., Erofeev V.T., Rimshin V.I., MarkovS.V., Kurbatov V.L. Changes in the topology of a concrete porous space in interactions with the external
medium // Engineering Solid Mechanics. 2016. No. 4. Pp. 219-225. DOI: 10.5267/j.esm.2016.5.001
15. Chartschenko I.J., Volke K., Stark J. Use of fly ash from brown coal for the production of expensive composit-cements // 10th Intern. Coal Ash Symposium, January 1993, Orlando, (Florida/USA): 6, Pp.142-154.
16. Kharchenko I., Panchenko A., Kharchenko A., Alekseev V. Modeling of structuring processes at hardening of expanding cements and concretes on their basis // MATEC Web of Conferences 27. Ser. «27th R-S-P Seminar, Theoretical Foundation of Civil Engineering (27RSP), TFoCE 2018». 2018. Vol. 196. P. 04035. DOI: 10.1051/matecconf/201819604035
17. Apih T., Lahajnar G., Sepe A., Blinc R., Milia F., Cvelbar R. et al. Proton spin-lattice relaxation study of the hydration of self-stressed expansive cement // Cement and Concrete Research. 2001. Vol. 31. Issue 2. Pp. 263-269. DOI: 10.1016/S0008-8846(00)00460-9
18. Hyeonggil Choi, Myungkwan Lim, Ryoma Kitagaki, Takafumi Noguchi, Gyuyong Kim. Restrained shrinkage behavior of expansive mortar at early ages // e е Construction and Building Materials. 2015. Vol. 84. П 2 Pp. 468-476. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.03.075 К
19. Takayuki Higuchi, Masataka Eguchi, Minoru 3 ^ Morioka, Etsuo Sakai. Hydration and properties of ex- S r pansive additive treated high temperature carbonation // c < Cement and Concrete Research. 2014. Vol. 64. Pp. 11- r 16. DOI: 10.1016/j.cemconres.2014.06.001 8
20. Semianiuk V., Tur V., Herrador M.F., Pare- d —
i и
desM.G. Early age strains and self-stresses of expansive g n
concrete members under uniaxial restraint conditions // 0 9
Construction and Building Materials. 2017. Vol. 131. M 7
Pp. 39-49. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.11.008 С 9
21. Елсуфьева М.С., Соловьев В.Г., Бурья- | I нов А.Ф. Применение расширяющихся добавок в со r сталефибробетоне // Строительные материалы. 2014. 8) № 8. С. 60-63. n со
22. García Calvo J.L., Revuelta D., Carballosa P., v N
r
Gutiérrez J.P. Comparison between the performance of t 3
expansive SCC and expansive conventional concretes in 0 2
different expansion and curing conditions // Construc- i §
tion and Building Materials. 2017. Vol. 136. Pp. 277- I о
285. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.01.039 n П
23. Ozkan Sengul. Mechanical properties of slur- *§■ n ry infiltrated fiber concrete produced with waste steel i — fibers // Construction and Building Materials. 2018. I Vol. 186. Pp. 1082-1091. DOI: 10.1016/j.conbuild- V mat.2018.08.042 l 0
24. Wyrzykowski M., Terrasi G., Lura P. Expan- | < sive high-performance concrete for chemical-prestress < . applications // Cement and Concrete Research. 2018. . и Vol. 107. Pp. 275-283. DOI: 10.1016/j.cemcon- S П res.2018.02.018 u
25. Nurtdinov M., Solovyev V., Panchenko A. In- < <
w w
fluence of composite fibers on the properties of heavy < concrete // MATEC Web of Conferences «5th Interna- 0 0
л —ь
tional Scientific Conference "Integration, Partnership <0 <o
and Innovation in Construction Science and Education", IPICSE 2016». 2016. Vol. 86. P. 04026. DOI: 10.1051/ matecconf/20168604026
26. Yu Wen Liu, Shih Wei Cho. Study on application of fiber-reinforced concrete in sluice gates // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 176. Pp. 737-746. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.05.004
27. Hyeonggil Choi, Heesup Choi, Myungkwan Lim, Takafumi Noguchi, Ryoma Kitagaki. Modeling of volume changes of concrete mixed with expansive additives // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 75. Pp. 266-274. DOI: 10.1016/j.conbuild-mat.2014.11.003
Поступила в редакцию 12 декабря 2018 г. Принята в доработанном виде 20 января 2019 г. Одобрена для публикации 27 февраля 2019 г.
о> а
г г
О О
N N
ММ
¡г ш
U 3
> (Л С (Л
со *
ii
ф
ф ф
cz с ^
О ш
о ^ о
со О
СО ч-
4 °
о со
ГМ £
от
га
Об авторах: Харченко Алексей Игоревич — кандидат технических наук, генеральный директор, Ингеострой, 109147, г. Москва г, ул. Калитниковская, д. 7, zao.ingeostroy@gmail.com;
Алексеев Вячеслав Александрович — заведующий сектором расчета и проектирования отдела освоения подземного пространства Научно-исследовательского института проектирования, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 634586@mail.ru;
Харченко Игорь Яковлевич — доктор технических наук, начальник отдела освоения подземного пространства Научно-исследовательского института проектирования, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, iharcenko@mail.ru;
Баженов Дмитрий Александрович — аспирант кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, bajenov.da@gmail.com.
REFERENCES
Ol от
« I
со О
О) "
а> ? °
Z ст ОТ £=
ОТ ТЗ — ф
ф
о о
С W
"В
ES
О (Л
1. Bazhenov Y., Bulgakov B., Alexandrova O. Modified fine-grained concrete for facing and repair of the hydraulic structures. MATEC Web of Conferences 5th International Scientific Conference "Integration, Partnership and Innovation in Construction Science and Education ", IPICSE 2016. 2016; 03009. DOI: 10.1051/ matecconf/20168603009
2. Adamtsevich A., Pustovgar A. Effect of modifying admixtures on the cement system hydration kinetics. Applied Mechanics and Materials. 2015; 725-726:487-492. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.725-726.487
3. Bakhrakh A., Solodov A., Larsen O., Naruts V., Aleksandrova O., Bulgakov B. SCC with high volume of fly ash content. MATEC Web of Conferences International Science Conference SPbWOSCE-2016 "SMARTCity". 2017; 106:03016. DOI: 10.1051/matec-conf/201710603016
4. Bazhenov J.M., Chernyshov E.M., Korot-kikh D.N. Designing of modern concrete strures: determining principles and technological platforms. Construction Materials. 2014; 3:6-14.
5. Kharchenko I.Ya., Kharchenko A.I., Alexeev V.A., Bazhenov D.A. Application of expanding cements for fiber-reinforced concrete in the construction of subsurface facilities. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State
University of Civil Engineering]. 2017; 12(3):334-340. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.3.334-340 (rus.).
6. Qi Cao, Zhongguo John Ma. Structural behavior of FRP enclosed shrinkage-compensating concrete (SHCC) beams made with different expansive agents. Construction and Building Materials. 2015; 75:450-457. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.11.045
7. Chartschenko I., Stark J. Steuerung des Strukturbildungsprozesses bei Quellzementen sowie Betonen auf deren Basis. Wiss. Zeitschr. Hochsch. Arch. BauwesenWeimar. 1993; 39(3):163-171. (ger.).
8. Alekseev V.A., Bazhenov Yu.M., Bazheno-va S.I., Bazhenova O.Yu., Golovashchenko N.A., Mironchuk N.S. Modified binder for sprayed concrete. BST — Bulletin of Construction Equipment. 2018; 5(1005):18-19.
9. Yu H., Wu L., Liu W.V., Pourrahimian Y. Effects of fibers on expansive shotcrete mixtures consisting of calcium sulfoaluminate cement, ordinary Portland cement, and calcium sulphate. Journal of Rock Mechanics andGeotechnicalEngineering. 2018; 10(2):212-221. DOI: 10.1016/j.jrmge.2017.12.001
10. Bazhenov Y.M., Zagorodnjuk L.H., Leso-vik V.S., Yerofeyeva I.V., Chernysheva N.V., Sum-skoy D.A. Concerning the role of mineral additives
in composite binder content. International Journal of Pharmacy and Technology. 2016; 8(4):22649-22661.
11. Odler I., Jawed I. Expansive reactions in concrete. Materials science of concrete II. American Ceramic Society: Westerville. 1991; 221-248.
12. Chartschenko I. Theoretische Grundlagen zur Anwendung von Quellzementen in der Baupraxis- Habilitation. BRD. Weimar, 1995; 198.
13. Carballosa P., García Calvo J.L., Revuelta D., Sánchez J.J., Gutiérrez J.P. Influence of cement and expansive additive types in the performance of self-stressing and self-compacting concretes for structural elements. Construction and Building Materials. 2015; 93:223-229. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.05.113
14. Bazhenov Y.M., Erofeev V.T., Rimshin V.I., Markov S.V., Kurbatov V.L. Changes in the topology of a concrete porous space in interactions with the external medium. Engineering Solid Mechanics. 2016; 4:219225. DOI: 10.5267/j.esm.2016.5.001
15. Chartschenko I.J., Volke K., Stark J. Use of fly ash from brown coal for the production of expensive com-posit-cements. 10th Intern. Coal Ash Symposium, January 1993. Orlando, (Florida/USA), 1993; 6: 142-154.
16. Kharchenko I., Panchenko A., Kharchenko A., Alekseev V. Modeling of structuring processes at hardening of expanding cements and concretes on their basis. MATEC Web of Conferences 27. Ser. "27th R-S-P Seminar, Theoretical Foundation of Civil Engineering (27RSP), TFoCE 2018". 2018; 196:04035. DOI: 10.1051/matecconf/201819604035
17. Apih T., Lahajnar G., Sepe A., Blinc R., Mil-ia F., Cvelbar R. et al. Proton spin-lattice relaxation study of the hydration of self-stressed expansive cement. Cement and Concrete Research. 2001; 31(2):263-269. DOI: 10.1016/S0008-8846(00)00460-9
18. Hyeonggil Choi, Myungkwan Lim, Ryoma Kitagaki, Takafumi Noguchi, Gyuyong Kim. Restrained shrinkage behavior of expansive mortar at early ages. Construction and Building Materials. 2015; 84:468-476. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.03.075
19. Takayuki Higuchi, Masataka Eguchi, Minoru Morioka, Etsuo Sakai. Hydration and properties of ex-
pansive additive treated high temperature carbonation. Cement and Concrete Research. 2014; 64:11-16. DOI: 10.1016/j.cemconres.2014.06.001
20. Semianiuk V., Tur V., Herrador M.F., Paredes M.G. Early age strains and self-stresses of expansive concrete members under uniaxial restraint conditions. Construction and Building Materials. 2017; 131:39-49. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.11.008
21. Yelsufyeva M.S., Solovyev V.G., Bury-anov A.F. The use of expanding additives in steel fiber concrete. Construction Materials. 2014; 8:60-63.
22. García Calvo J.L., Revuelta D., Carballosa P., Gutiérrez J.P. Comparison between the performance of expansive SCC and expansive conventional concretes in different expansion and curing conditions. Construction and Building Materials. 2017; 136:277-285. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.01.039
23. Ozkan Sengul. Mechanical properties of slurry infiltrated fiber concrete produced with waste steel fibers. Construction and Building Materials. 2018; 186:1082-1091. DOI: 10.1016/j.conbuild-mat.2018.08.042
24. Wyrzykowski M., Terrasi G., Lura P. Expansive high-performance concrete for chemical-prestress applications. Cement and Concrete Research. 2018; 107:275-283. DOI: 10.1016/j.cemconres.2018.02.018
25. Nurtdinov M., Solovyev V., Panchenko A. Influence of composite fibers on the properties of heavy concrete. MATEC Web of Conferences "5 th International Scientific Conference "Integration, Partnership and Innovation in Construction Science and Education", IPICSE 2016". 2016; 86:04026. DOI: 10.1051/ matecconf/20168604026
26. Yu Wen Liu, Shih Wei Cho. Study on application of fiber-reinforced concrete in sluice gates. Construction and Building Materials. 2018; 176:737-746. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.05.004
27. Hyeonggil Choi, Heesup Choi, Myungkwan Lim, Takafumi Noguchi, Ryoma Kitagaki. Modeling of volume changes of concrete mixed with expansive additives. Construction and Building Materials. 2015; 75:266-274. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.11.003
< П
i н IK
о
0 CD CD
1 n (O en
CD CD 7
Ö 3 о € ( S P
Г €
>< О
f -
CD
i э
v Q
Received December 12, 2018.
Adopted in a modified form January 20, 2019.
Approved for publication February 27, 2019.
n О
i i
n n
CD CD CD
About the authors: Aleksey I. Kharchenko — Candidate of Technical Sciences, Ingeostroy, 7 Kalitnikovskaya st., Moscow, 109147, Russian Federation, zao.ingeostroy@gmail.com;
Vyacheslav A. Alekseev — Head of the Calculation and Design Sector of the Underground Development Department of the Research Institute of Designing, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation, 634586@mail.ru;
Igor' Ya. Kharchenko — Doctor of Technical Sciences, Head of the Underground Development Department of the Research Institute of Designing, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation, iharcenko@mail.ru;
Dmitriy A. Bazhenov — postgraduate student, Department of Technologies of Cohesive Materials and Concretes, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation, bajenov.da@gmail.com.
¡M
л ■ . DO
■ T
s □
s у с о <D D WW
2 2
О О
л —ь
(О (О
