CC BY
10УДК 691.32
Д.В. ОРЕШКИН , д-р техн. наук, В.С. СЕМЕНОВ, канд. техн. наук, П.В. КАПЦОВ, инженер
Московский государственный строительный университет (129337, Москва, Ярославское ш., 26)
Свойства изделий из облегченных экструдированных мелкозернистых бетонных смесей при деформировании и разрушении
Статья посвящена исследованию свойств изделий из экструдированного мелкозернистого цементного бетона с полыми стеклянными микросферами (ПСМС). В ряде работ показана эффективность использования полых микросфер в качестве наполнителя для легких бетонов. Для улучшения свойств таких бетонов авторами статьи предложено использовать технологию экструдирования. Исследования проводились по стандартным методикам. Приведены составы легких мелкозернистых экструдированных бетонов, их основные свойства и деформационные характеристики легкого мелкозернистого бетона с ПСМС - удельные значения энергии деформации и разрушения бетона, модуль упругости. Установлено, что экструдирование снижает водопотребность бетонной смеси с микросферами, способствует уплотнению структуры бетона; прочность и трещиностойкость бетона существенно возрастает. Приведены результаты рентгенофазового анализа легкого экструдированного мелкозернистого бетона. Показано, что после экструдирования увеличивается закристаллизованность структуры цементного камня, повышается степень гидратации. Разработана технология получения легкого экструдированного цементного мелкозернистого бетона с ПСМС.
Ключевые слова: полые микросферы, мелкозернистый бетон, легкий бетон, экструдирование, трещиностойкость.
D.V. ORESHKIN, Doctor of Science (Engineering), V.S. SEMENOV, Candidate of Science (Engineering), P.V. KAPTSOV, Engineer Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation)
Product Properties of Lightweight Extruded Fine-grained Concrete Mixes Under deformation and Destruction
Product properties of extruded fine cement concrete with hollow glass microspheres ( HGMS ) are presented . Effectiveness of the use of hollow microspheres as a filler for lightweight concrete are shown. To improve the properties of such concrete the authors proposed to use extrusion technology . The studies were conducted according to standard test methods . The compositions of fine-grained light extruded concrete and their basic properties are presented . Deformation characteristics of fine-grained light extruded concrete with HGMS - specific energy values deformations and destruction of concrete , elastic modulus are given. It has been established that the extruding reduces the water requirement of the concrete mixture with the microspheres , promotes the compacting of the concrete structure , the concrete strength and fracture toughness increases significantly. The results of X-ray diffraction of light extruded fine concrete are given. It is shown that after extrusion crystallization of cement stone structure increases , the degree of hydration increases as well . Technology for producing lightweight extruded fine-grained cement concrete with HGMS are developed .
Keywords: hollow microspheres , fine-grained concrete , lightweight concrete , extrusion , fracture toughness.
Для проживания и плодотворной работы в помещениях людям, как известно, необходимы комфортные температурно-влажностные условия. Во многом эти условия определяются теплотехнической однородностью ограждающих конструкций. Конструкция однослойной стены, например малоэтажного дома, состоит из кирпича или стеновых блоков, затвердевшего кладочного раствора, перемычек и др. Проблема получения элементов такой конструкции с приблизительно равными термическими сопротивлениями является актуальной.
Для обеспечения теплотехнической однородности стен из мелкоштучных элементов средние плотности материала стены и кладочного раствора должны быть примерно одинаковыми. Поэтому для стеновых материалов, имеющих среднюю плотность 500—600 кг/м3, нерационально использовать кладочный раствор со средней плотностью 1500—1800 кг/м3. Исследованиям облегченных кладочных растворов («теплых» растворов) посвящено много работ. Известны кладочные растворы с такими облегчающими наполнителями, как вспученный перлитовый и вермикулитовый пески, гранулированное пеностекло, гранулированный пенопо-листирол. Марочная прочность таких растворов обычно не превышает 5 МПа, средняя плотность не менее 700 кг/м3 [1]. В работах [2-5] исследованы приготовленные по обычной технологии и экструдированные облегченные кладочные растворы с полыми стеклянными микросферами (ПСМС). Авторами работ [4-5] было установлено, что после прохождения экструдера водо-потребность раствора уменьшается на 10-15% по срав-
нению с неэкструдированными растворами (при сохранении одинаковой подвижности), а прочность раствора существенно возрастает.
Для оценки однородности экструдированного кладочного раствора с ПСМС был использован метод определения водоотделения для тампонажных растворов (ГОСТ 26798.1-96 «Цементы тампонажные. Методы испытаний»), поскольку стандартная методика определения расслаиваемости растворных смесей (ГОСТ 5802-86 «Растворы строительные. Методы испытаний») в данном случае неприменима ввиду высокой дисперсности наполнителя. Водоотделение определялось на оптимизированных составах обычного и экструдированного растворов [4-5]. Расход ПСМС составил 10, 30 и 50 % от массы портландцемента, расход суперпластификатора - 0,75% от массы портландцемента. Водоцементное отношение исследуемых растворов указано в табл. 1. Цементный раствор помещали для отстаивания в двухмерных цилиндрах высотой 200 мм и диаметром 50 мм до указателя объёмов 250 см3. По истечении двух часов воду, появившуюся на поверхности кладочного раствора, отбирали и замеряли ее объем в каждом цилиндре. Окончательное значение получалось путем усреднения двух значений. Результаты представлены в табл. 1.
Как следует из табл. 1, у обычных растворов происходит небольшое расслоение при расходе 30 % ПСМС. При расходе ПСМС 50 % от массы цемента водоотделение составило 2 %. У экструдированных растворов водоотделения не было. Таким образом, кладочные растворы с полыми стеклянными микросферами и суперпластификатором после экструдирования имеют
54
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2014
iA ®
Таблица 1
Водоотделение и оценка однородности кладочных растворов с ПСМС
Расход ПСМС, % от массы цемента Экструдированные растворы Обычные растворы
В/Ц Средняя плотность, кг/м3 Водоотделение, % В/Ц Средняя плотность, кг/м3 Водоотделение, %
раствора по слоям камня раствора по слоям камня
10 0,38 1452 верх 1451 - 0,43 1320 верх 1319 -
центр 1451,2 центр 1320
низ 1452 низ 1321
30 0,62 776 верх 776,5 - 0,72 850 верх 848 0,2
центр 776 центр 850
низ 777 низ 853
50 1,18 652 верх 651 - 1,36 700 верх 680 2
центр 652 центр 695
низ 654 низ 718
Таблица 2
Свойства легкого экструдированного мелкозернистого бетона с ПСМС
Состав, мас. % Средняя плотность в сухом состоянии, кг/м3 Предел п МПа, в возр эочности, асте 28 сут. Коэффициент теплопроводности в сухом виде, Вт/(м-°С) Коэффициент паропроницания, мг/(м-ч-Па) Морозостойкость, циклы
ПЦ ПСМС В СП изгиб сжатие
100 10 27 0,75 1120 9,4 26,7 0,21 0,0059 75
100 30 45 0,75 560 5,2 12,1 0,161 0,026 50
100 50 90 0,75 394 2,6 6,4 0,083 0,047 35
Примечания: ПЦ - портландцемент; ПСМС - полые стеклянные микросферы; В - вода, СП - суперпластификатор С-3.
однородную структуру.
По результатам исследования экструдированных кладочных растворов с ПСМС было предположено, что использование экструдированных бетонных смесей с ПСМС позволит получить материал с высокой однородностью, низкой средней плотностью, высокой прочностью и подобным стеновому материалу коэффициентом теплопроводности. В работах [6—9] показана эффективность применения полых микросфер для получения легких бетонов. Более того, в работах [9—11] авторы установили, что микросферы в цементной матрице формируют ячеистую структуру и окаймляют поры, упрочняют их стенки, а также улучшают свойства материала. При производстве облегченных изделий из таких смесей с осадкой конуса 0—4 см существует возможность увеличения прочности бетона и несущей способности изделий за счет применения технологии экструдирования.
Целью исследований являлось изучение структуры и свойств легких экструдированных бетонов с полыми стеклянными микросферами, а также трещиностойко-
Рис. 1. Микрофотография полых стеклянных микросфер
сти таких бетонов при равновесных испытаниях при трехточечном изгибе.
В работе использовались: портландцемент ПЦ500 Д0 Старооскольского цементного завода с содержанием С3А 3,8 %, микросферы 3M™ Glass Bubbles типа К25 (Бельгия). ПСМС (рис. 1) имеют коэффициент теплопроводности до 0,06 Вт/(м.°С) при 20оС, температуру размягчения — 650оС.
Бетонная смесь с ПСМС имела осадку конуса 2—4 см, приготовлялась в смесителе, затем проходила через лабораторный одношнековый экструдер, уплотнялась в течение трех минут на виброплощадке. Свойства легкого экструдированного мелкозернистого бетона с ПСМС приведены в табл. 2.
Авторами работ [4, 5, 12] было установлено, что при экструдировании происходит очищение поверхности частиц цемента и наполнителя, улучшается смачивание, снижается количество воды затворения, повышается реакционная способность поверхности твердых частиц. Подвижность смеси увеличивается также за счет улучшения скольжения при удалении газовой фазы [12]. Все это способствует уплотнению структуры бетона (рис. 2), уменьшаются показатели паро-проницания и коэффициента теплопроводности (табл. 2).
Трещиностойкость разработанных бетонов оценивалась в условиях равновесных испытаний при трехточечном изгибе. Для равновесных испытаний с получением полностью равновесных диаграмм деформирования (ПРДД) были изготовлены образцы-призмы с размерами 10x10x40 см. Испытания проводились по ГОСТ 29167-91
Рис. 2. Микроструктура экструдированого мелкозернистого бетона с 10 % ПСМС
fj научно-технический и производственный журнал
® декабрь 2014 5б"
Нагрузка - Р, Н А
300
200 100
- А
\ \ 2
V
Б В
0 Б 0,1
0,3 В'
0,5
0,7
Прогиб - f, 1-10 м Рис. 4. ПРДД легкого мелкозернистого бетона с 10 % ПСМС: 1 - из экструдирован-ной смеси; 2 - из обычной смеси
«Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении».
Установка для испытаний имела упругое стальное кольцо, которое создавало равновесные условия деформирования и разрушения (рис. 3). Использовались методы механики разрушения [13—15]. Результаты испытаний и обработки данных представлены на рис. 4 и в табл. 3.
Можно выделить, по мнению авторов [14], три основных энергетических показателя на ПРДД. Первый показатель оценивает трещиностойкость ма-
Рис. 3. Установка для получения полностью равновесных диаграмм деформирования и разрушения - ПРДД
териала до старта магистральной трещины (характеризуется участком подъема кривой до максимума). Второй показатель оценивает сопротивление росту магистральной трещины (после старта трещины) — кривая уходит вниз.
Третий показатель — полное разрушение материала (определяется всей площадью диаграммы). Эти три показателя, отнесенные к площади поперечного сечения образца, образуют удельные значения энергии деформаций и разрушения бетона — G;, Gj, Gc.
Анализ результатов табл. 3 и рис. 4 свидетельствует о существенном повышении трещиностойкости изделий из экструдированных бетонных смесей по сравнению с неэкструдированными.
Был проведен рентгенофазовый анализ разработанного легкого экструдированного и не подвергнутого экструдированию мелкозернистого бетона (рис. 5) в возрасте 28 сут.
При формировании камня после экструдирования увеличивается закристаллизованность структуры. Были проанализированы интенсивности пиков алита 3CaO.SiO2, портландита Ca(OH)2, кальцита CaCO3, гидросиликатов кальция 3CaO.2SiO2.3H2O. Результаты рентгенофа-зового анализа даны в табл. 4.
В результате рентгенофазового анализа установлено, что степени гидратации и кристаллизации увеличиваются у экструдированных бетонов по сравнению с обычными. Интенсивность пиков алита снижается для
Таблица 3
Деформационные характеристики легкого мелкозернистого бетона с ПСМС
Состав, мас. % Удельные энергозатраты, Дж/м2, на: Прогиб, 10-3 м: Модуль упругости, МПа**
ПЦ ПСМС В СП инициирование трещины, Gi разрушение, Gc до старта трещины при фрагментации*
Бетон, полученный из обычной смеси
100 10 31 0,75 36 96 0,111 0,41 7690
100 30 53 0,75 22 76 0,21 0,824 5233
100 50 102 0,75 16 50 0,31 1,19 3630
Бетон, полученный из экструдированной смеси
100 10 27 0,75 47 116,3 0,06 0,36 12132
100 30 45 0,75 29,4 88 0,08 0,471 8250
100 50 90 0,75 21 58,2 0,121 0,672 5942
Примечания: * - фрагментация на две части при полном разрушении образцов; ** - статический расчетный модуль упругости по ГОСТ 29167-91.
Таблица 4
Интенсивность пиков, степень гидратации, кристаллизации структуры
Расход ПСМС,% от массы цемента Новообразования Интенсивность пиков, имп./с Степень кристаллизации, % Степень гидратации, %
обычный экструд. обычный экструд. обычный экструд.
10 3CaOSiO2 (алит) 69 56 35 55 58 74
Ca(OH)2 (портландит) 630 560
3CaO2SiO23H2O -гидросиликат кальция 175 200
CaCO3 - кальцит 215 225
30 3CaOSiO2 (алит) 55 41 29 47 45 63
Ca(OH)2 (портландит) 480 410
3CaO2SiO23H2O -гид-росиликат кальция 158 208
CaCO3 - кальцит 258 270
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 56 декабрь 2014 ~ Ы ®
Рис. 5. Рентгенограмма экструдированного мелкозернистого бетона с 10 % ПСМС
всех составов с микросферами. Происходит известная реакция гидратации алита с образованием низкоосновного гидросиликата кальция 3CaO.2SiO2.3H2O и трех молекул портландита 3Са(ОН)2. Низкоосновными, как известно, считаются гидросиликаты, которые имеют значение отношения оксидов кальция СаО к оксидам кремния SiO2 0,8—1,33.
В материале с ПСМС количество пиков карбоната кальция немного увеличивается за счет незначительного разрушения микросфер под давлением (табл. 4) — происходит реакция карбонизации портландита Са(ОН)2 с образованием водонерастворимого карбоната кальция. Он упрочняет камень и связывает водорастворимый портландит. Следовательно, связывание портландита в прочное соединение оказывает положительное влияние. Степень кристаллизации после экструди-рования увеличивается в 1,5 раза. Образуются прочные низкоосновные гидросиликаты кальция и их количество увеличивается. Степень гидратации повышается на 25-27 %.
Анализ полученных данных показывает, что трещи-ностойкость мелкозернистого бетона с полыми стеклянными микросферами, полученного из экструдиро-ванной смеси, имеет более высокие показатели по сравнению с материалом, полученным по традиционной
технологии. Трещиностойкость и прочность при изгибе, сжатии экструдированного бетона возрастают на 30-40 % по сравнению с материалом из облегченной равнопод-вижной неэкструдированной смеси с ПСМС. Снижается также паропроницаемость за счет более плотной структуры экструдированного бетона и цементной матрицы, что связано с уменьшением количества воды затворе-ния.
В результате проведенных исследований разработана технология получения легкого экструдированного цементного мелкозернистого бетона с ПСМС. Было предложено использовать разработанные бетоны для производства оконных и дверных перемычек с повышенными теплозащитными характеристиками. Разработана технология изготовления оконных перемычек из экструдированных смесей, включающая в себя: технологическую схему, оптимальные составы сырьевой смеси, порядок перемешивания, экструдиро-вания, укладки и уплотнения смеси, хранения, оценки качества. По данной технологии была изготовлена опытная партия оконных армированных перемычек в городах Ижевске и Наро-Фоминске. Изготовленные изделия успешно применены в коттеджном строительстве указанных городов.
Список литературы
1. Семенов В.С., Розовская Т.А. Сухие кладочные смеси с полыми керамическими микросферами // Научное обозрение. 2013. № 9. С. 195-199.
2. Семенов В.С., Орешкин Д.В., Розовская Т.А. Свойства облегченных кладочных растворов с полыми стеклянными микросферами и противомороз-ными добавками // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 3. С. 9-11.
3. Клочков А.В., Павленко Н.В., Строкова В.В., Беленцов Ю.А. К вопросу об использовании стеклянных полых микросфер для теплоизоляционно-конструкционных кладочных растворов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2012. № 3. С. 64-66.
References
1. Semenov V.S., Rozovskaya T.A. Dry masonry mixtures with ceramic hollow microspheres. Nauchnoe obozrenie .2013. No 9, pp. 195-199. (In Russian).
2. Semenov V.S., Oreshkin D.V., Rozovskaya T.A. Properties of lightweight masonry mortars with hollow glass microspheres and antifreeze admixtures. Promyshlennoe i Grazhdanskoe Stroitelstvo . 2013. No 3, pp. 9-11. (In Russian).
3. Klochkov A.V., Pavlenko N.V., Strokova V.V., Belencov U.A. On the use of hollow glass microspheres in heat insulating structural masonry mortars. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2012. No 3, pp. 64-66. (In Russian). ^^
©teD'AfZJlhrMS.
научно-технический и производственный журнал
декабрь 2014 57
4. Орешкин Д.В., Капцов П.В. Научно-технические предпосылки получения экструдированных облегченных цементных систем // Вестник МГСУ. 2012. № 3. С. 115-119.
5. Орешкин Д.В., Семенов В.С., Капцов П.В. Свойства кладочных растворов на основе экструдированных растворных смесей // Строительные материалы. 2012. № 9. С. 58-60.
6. Koralev E.V., Inozemtcev A.S. Preparation and research of the high-strength lightweight concrete based on hollow microspheres // Advanced Materials Research. 2013. Vol. 746, рр. 285-288.
7. Иноземцев А.С., Королев Е.В. Структурообразование и свойства конструкционных высокопрочных легких бетонов с применением наномодификатора BisNanoActivus // Строительные материалы. 2014. № 1. С. 33-37.
8. F. Blanco, P. Garc a, P. Mateos, J. Ayala. Characteristics and properties of lightweight concrete manufactured with cenospheres // Cement and Concrete Research. 2012. Vol. 30. №11, рp. 1715-1722.
9. Орешкин Д.В. Проблемы строительного материаловедения и производства строительных материалов // Строительные материалы. 2010. № 11. С. 6-8.
10. Орешкин Д.В. Облегченные и сверхлегкие цементные растворы для строительства // Строительные материалы. 2010. № 6. С. 34-37.
11. Орешкин Д.В., Беляев К.В., Семенов В.С. Теплофизические свойства, пористость и паропро-ницаемость облегченных цементных растворов // Строительные материалы. 2010. № 8. С. 51-54.
12. Сахаров Г.П., Чан Минь Дык. Повышение свойств мелкозернистого бетона экструдированием исходных смесей // Бетон и железобетон. 2009. № 1. С. 6-8.
13. Леонович С.Н. Трещиностойкость и долговечность несущих конструкций АЭС с позиции механики разрушения // Вестник Белорусского национального технического университета. 2009. № 4. С. 34-39.
14. Орешкин Д.В., Первушин Г.Н. Деформирование и разрушение цементного кольца конструкции нефтегазовой скважины после перфорации // Деформация и разрушение материалов. 2013. № 12. С. 25-27.
15. Eberhardsteiner J., Zhdanok S., Khroustalev B., Batsianouski E., Samtsou P., Leonovich S. Characterization of the influence of nanomaterials on the mechanical behavior of cement stone // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2011. Vol. 84. No. 4, рp. 8-10.
7
8
4. Oreshkin D.V., Kaptsov P.V. Scientific and technical preconditions for extruded lightweight cement systems. Vestnik MGSU. 2012. No 3, pp. 115-119. (In Russian).
5. Oreshkin D.V., Semenov V.S., Kaptsov P.V. Properties of masonry mortars on the basis of extruded mortar mixes. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No 9, pp. 58-60. (In Russian).
6. Korolev E.V., Inozemtcev A.S. Preparation and research of the high-strength lightweight concrete based on hollow microspheres. Advanced Materials Research. 2013. Vol. 746, pp. 285-288.
Inozemtcev A.S., Korolev E.V. Structuring and properties of the structural high-strength lightweight concretes with nanomodifier BisNanoActivus. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 1, pp. 33-37. (In Russian). F. Blanco, P. Garc a, P. Mateos, J. Ayala. Characteristics and properties of lightweight concrete manufactured with cenospheres. Cement and Concrete Research. 2012. Vol. 30. No11, pp. 1715-1722 .
9. Oreshkin D.V. Problems of building materiology and production of building materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No 11, pp. 6-8. (In Russian).
10. Oreshkin D.V. Light-weight and superlight cement mortars for construction. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No 6, pp. 34-37. (In Russian).
11. Oreshkin D.V., Belyaev K.V., Semenov V.S. Thermophysical properties, porosity and vapour permeability of light-weight cement mortars. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No 8, pp. 5154. (In Russian).
12. Sakharov G.P., Chan Min Dyk. Improvement ofthe properties of fine-grained concrete by extruding of initial mixtures. Beton i zhelezobeton . 2009. No 1, pp. 6-8. (In Russian).
13. Leonovich S.N. Fracture resistance and durability of bearing structures of NPP from the position of fracture mechanics. Vestnik Belorusskogo nacional'nogo tehni-cheskogo universiteta .2009. No 4, pp. 34-39. (In Russian).
14. Oreshkin D.V., Pervushin G.N. Deformarftion and destruction of plugging back stone for oil-and-gas wells after gun-fire perforation with hollow glass spheres. Deformatsiya i razrushenie materialov. 2013. No 12, pp. 25-27. (In Russian).
15. Eberhardsteiner J., Zhdanok S., Khroustalev B., Batsianouski E., Samtsou P., Leonovich S. Characterization of the influence of nanomaterials on the mechanical behavior of cement stone. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2011. Vol. 84. No. 4, pp. 8-10
_НОВОСТИ
В Китае частично остановлено производство цемента
С декабря остановлены 103 производственные линии на цементных заводах Северо-Востока Китая.
С 2013 г. Китай борется с густым смогом, покрывшим мегаполисы страны. Единственный способ борьбы с этим явлением - сокращение выбросов химических веществ: летучих органических соединений, оксида азота от городского транспорта и диоксида серы и углекислого газа от местных промышленных предприятий.
Правительство занимается активной реализацией пятилетнего плана, принятого в 2013 г., по улучшению качества воздуха. Так, с декабря было остановлено производство на нескольких цементных заводах в провинциях Хэйлунцзян, Цзилинь и Ляонин. 103 производственные линии не будут использоваться четыре месяца. Таким способом власти надеются уменьшить смог. Подобная практика действует в Синьцзян-Уйгурском автономном районе еще с 1 ноября.
Инициатива по остановке производства на цементных заводах на время отопительного сезона была внесе-
на группой членов Всекитайского комитета НПКСК в марте 2014 г. на ежегодной сессии ВСНП и ВК НПКСК. После тщательного изучения Министерство промышленности и информатизации и Всекитайская ассоциация цементной промышленности одобрили инициативу.
Кон Сянчжун, заместитель руководителя ассоциации, убежден, что этот шаг поможет уменьшить влияние на экологическую обстановку в зимние месяцы, когда отопление, преимущественно угольное, усиливает риск загрязнения воздуха.
По предварительным подсчетам, в случае полной остановки производства цемента в Северном и СевероВосточном Китае объем выбросов дымовых газов сократится на 780 млрд. м3.
По материалам государственного ИА «Синьхуа»
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 58 декабрь 2014 ' Ы ®
