CC BY
9
Свойства мелкозернистого бетона с инертной минеральной добавкой
и суперпластификатором
М.О. Коровкин, Н.А. Ерошкина, С.М. Саденко, О.В. Пузырёв Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Пенза
Аннотация: Показано значение инертных минеральных добавок для развития технологии современного бетона. Приведены результаты исследования влияния дозировки известнякового порошка на консистенцию и прочность мелкозернистого бетона с различным соотношением его компонентов. Установлено, что в бетонах с высоким содержанием суперпластификатора доля минеральной добавки в смешанном цементе -основной технологический фактор управления прочностными характеристиками бетона. Ключевые слова: мелкозернистый бетон, минеральный порошок, инертная минеральная добавка, суперпластификатор, консистенция смеси, прочность, управление прочностью.
Применение суперпластификаторов (далее СП) способно кардинально изменить свойства бетона. Введение в бетонную смесь современных СП позволяет одновременно получить значительные пластифицирующий и водоредуцирующий эффекты. Применение этих добавок является основой технологии высокопластичных и самоуплотняющихся бетонов повышенной прочности.
Значительное изменение свойств цементного теста, модифицированного СП, обусловливает необходимость изменения рецептуры бетона. К таким изменениям относится прежде всего введение в состав бетона минеральных добавок. Эти добавки повышают объем цементного теста, что увеличивает раздвижку зерен заполнителя и пластичность бетонной смеси без риска ее расслоения. Рациональность совместного применения СП и активных минеральных добавок предопределила создание и внедрение в практику производства высокофункциональных бетонов органоминеральных добавок серии «МБ» [1].
В бетонах, к технологическим и эксплуатационным характеристикам которых не предъявляются повышенные требования, в качестве минеральных
добавок целесообразно использовать инертные или малоактивные порошковые материалы, такие, как измельченные отсевы дробления щебня, отходы обогащения руд и другие промышленные отходы, не обладающие пуццолановыми или вяжущими свойствами.
Исследования и применение инертных минеральных добавок в цемент были начаты еще в конце XIX века [2], однако эти модификаторы свойств бетона не получили широкого распространения. На различных этапах развития технологии бетона в качестве таких добавок применяли песок, известняк и другие горные породы, которые измельчались совместно с цементом [2]. Эффективность применения инертных минеральных добавок возрастает при введении в состав бетона высокоэффективных водоредуцирующих добавок - в результате снижения водоцементного отношения негативное влияние инертных добавок на прочность значительно уменьшается [3, 4]. Совместное использование СП с инертными порошковыми материалами является важной составной частью концепции бетонов нового поколения [5, 6].
При выборе вида и назначении дозировки СП и инертной минеральной добавки главными критериями являются водопотребность смеси при заданном уровне ее удобоукладываемости и прочность в различные сроки твердения. Влияние минеральной добавки на консистенцию определяется различными факторами, и прежде всего поверхностными явлениями, обусловливающими образование коагуляционных структур в цементном тесте, изготовленном с применением смешанного цемента [7], а также возможным ускорением процессов гидратации и схватывания [8]. Исследования [9, 10] показали, что большое значение имеет топологический фактор - в зависимости от размера частиц минеральные добавки могут выполнять различные функции: уплотнения, разбавления и наполнения цемента.
Эффективность совместного использования различных видов СП и минеральных добавок в бетонах оценивается эмпирически в связи с тем, что пока не установлены универсальные зависимости свойств бетона от характеристик компонентов комплексных добавок. В связи с этим актуальны исследования совместимости различных видов СП и минеральных добавок в смешанных цементах.
Исследование зависимости консистенции мелкозернистой бетонной смеси и прочности в различные сроки твердения от доли замещения цемента известняковой мукой проводилось на смесях с различными расходом СП и соотношением песка и вяжущего. Консистенция смеси с водоцементным отношением (В/Ц) 0,5 определялась по ее расплыву из формы-конуса под действием собственного веса и после 10 встряхиваний (по ГОСТ 310.4-81). Из мелкозернистой смеси формовались образцы размером 40x40x160 мм, которые твердели в нормальных условиях.
Для приготовления смесей использовались ЦЕМ I 42,5 производства ООО «Азия Цемент», минеральный порошок, полученный измельчением известняка Аккермановского месторождения до удельной поверхности по ПСХ-2, полевошпатный песок с модулем крупности 2,3. Смеси готовились с применением двух СП - Гиппласт Флоу и Гиппласт Винтер.
В эксперименте доля замещения цемента известняковой мукой (И) варьировалась от 16 до 43 %, отношение песка к цементу (П/Ц) -от 2,7 до 3,3, а расход СП изменялся от 0,7 до 1,1 %. Значения перечисленных факторов варьировались в соответствии с центральным композиционным планом.
По результатам эксперимента методом наименьших квадратов
рассчитывались коэффициенты эмпирических уравнений вида у = Ь0 + Ь1х1 +
2 2 2
+Ь2х2+ Ь3х3+ Ь12х1х2 + Ь13х1х3 + Ь23х2х3 + Ь11х1 + Ь22х2 + Ь33х3 , где х1, х2 и х3 -значения факторов в кодовом выражении (в интервале от 1 до -1). Значения коэффициентов уравнений приведены в таблицах № 1 и № 2, а графические
зависимости исследованных свойств от двух наиболее значимых факторов представлены на рис. 1-3.
Таблица № 1
Значения коэффициентов уравнений, описывающих зависимость свойств бетона от исследованных свойств, для составов с СП Гиппласт Флоу
Условия испытания Ь0 Ь1 Ъг Ъ3 Ъ12 Ъ13 Ъ23 Ъц Ъ22 Ъ33
Расплыв конуса через 5 мин после начала приготовления, мм
без встряхивания 135,5 0 -46,69 10,1 0 -4,94 - 11 10,07 21,1 -11,44
после встряхивания 218,4 0 -40,93 11,7 0 -4,66 -8,94 0 0 -13,64
Прочность на сжатие, МПа
1 сут 5,1 -1,07 0 -0,64 -0,3 0 0 0 0 0
3 сут 22,1 -2,96 -0,40 0 0 0 0 -0,98 -1,02 0
7 сут 31,3 -5,05 -1,02 0 0 0 0 0 0 0
28 сут 44,8 -7,69 -1,70 0 0 0 0 2,57 0 0
Таблица № 2
Значения коэффициентов уравнений, описывающих зависимость свойств бетона от исследованных свойств, для составов с СП Гиппласт Винтер
Условия испытания Ъ0 Ъ1 Ъ2 Ъ3 Ъ12 Ъ13 Ъ23 Ъц Ъ22 Ъ33
Расплыв конуса через 5 мин после начала приготовления, мм
без встряхивания 110,0 0 -27,5 4,26 0 -4,53 -5,25 0 24,06 0
после встряхивания 193,2 0 -33,9 6,21 0 -4,05 0 0 7,53 -6,97
Расплыв конуса через 45 мин после начала приготовления, мм
без встряхивания 110,2 0 -24,9 10,68 0 0 -11,4 0 19,19 0
после встряхивания 191,8 0 -35,7 14,75 0 0 -6,07 0 0 0
Прочность на сжатие, МПа
1 сут 9,4 -2,17 0 -0,85 0 0,67 0 0 -1,09 -1,09
3 сут 27,2 -4,42 -1,44 0 0 0 0,6 1,47 -1,51 -2,91
7 сут 33,5 -5,32 -2,57 0 0 0 0 3,69 -3,75 0
28 сут 48,6 -6,53 -2,24 0 0 0 0 0 -2,51 0
а
в
д
РК, мм
300
б
0,9 СП, %
РК, мм 300
250
200
150 100
РК, м 300 275 250' 225 200 175 150 125 100
1,1
0,9 СП, %
1,1
0,9 СП, %
РК, мм У —
300 Г УУ^Г
275 / / '><7 /^О 225 ОС
250-
225-
200
175
150
125
100
1,1
0,9 СП, %
Рис. 1. - Зависимости расплыва смеси без встряхивания (а, в, д) и после
встряхивания (б, г, е) через 5 мин (а, б, в, г) и 45 мин (д, е) составов, приготовленных с СП Гиппласт Флоу (а, б), Гиппласт Винтер (в, г, д, е),
от исследованных факторов
г
е
Анализ коэффициентов уравнений в таблицах № 1 и № 2, а также графиков на рис. 1 показывает, что консистенция смеси зависит в основном от соотношения песка и цемента. Увеличение расхода СП оказывает заметное влияние на консистенцию смеси только при снижении П/Ц.
Увеличение доли минерального порошка в смешанном цементе оказывает незначительное влияние на консистенцию смеси. Однако при увеличении времени определения расплыва смеси влияние дозировки СП на консистенцию значительно возрастает (рис. 1д и 1е), что связано с замедлением процесса схватывания цементного теста при повышенной дозировке СП.
На прочность бетона в различные сроки основное влияние оказывают содержание минерального порошка в смешанном цементе и отношение песка к вяжущему, однако прочность через 1 сутки в значительной степени зависит от дозировки СП, что связано с эффектом замедления гидратации цемента на ранних стадиях твердения.
а
в
^ж, МПа 12 10 8 6 4 2 0 15
б
МПа
30 27 24 21 18 15 12 9 6 3 0
1,1
СП, %
29
И, %
0,7
43
3,3 П/Ц
И, %
2,7
43
Ксж, МПа 12 10 8 6 4 2 0
МПа
30 27 24 21 18 15 12 9 6 3 0
1,1 СП, %
3,3 П/Ц
29
И, %
2,7
43
Рис. 2. - Влияние исследованных факторов на прочность бетона после 1 (а, б) и 3 (в, г) суток твердения составов, приготовленных с СП Гиппласт Флоу (а, в), Гиппласт Винтер (б, г)
г
М Инженерный вестник Дона, №7 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n7y2022/7823
Эффект замедления структурообразования в ранние сроки проявляется при повышении дозировки СП Гиппласт Винтер (см. рис. 2б). На графиках рис. 1 видно, что на начальном этапе твердения добавка Гиппласт Винтер позволяет получить в среднем более высокие значения прочности, чем при использовании СП Гиппласт Флоу. Это связано с тем, что первая добавка предназначена для использования в зимнее время и содержит компоненты, ускоряющие твердение, в отличие от второй добавки, которая применяется для приготовления бетонной смеси в летнее время и должна не только обеспечивать высокую удобоукладываемость, но и замедлять процесс гидратации в течение нескольких часов, что создает условия для сохраняемости подвижности бетонной смеси в теплое время года.
Рис. 3. - Влияние исследованных факторов на прочность бетона после 1 (а, б) и 3 (в, г) суток твердения составов, приготовленных с СП Гиппласт Флоу (а, в), Гиппласт Винтер (б, г)
В более поздние сроки эффект замедления твердения снижается, и через 28 суток прочностные показатели бетонов, приготовленных с двумя исследованными СП, практически не различаются (см. рис. 3).
Увеличение дозировки исследованной инертной минеральной добавки не оказывает значительного влияния на технологические свойства бетонной смеси, в связи с этим данная добавка на стадии приготовления смеси и ее формования может рассматриваться в качестве полноценной замены цемента. Фактором, ограничивающим долю минеральной добавки в смешанном цементе, являются прочностные характеристики бетона.
Анализ коэффициентов уравнений в таблицах 1 и 2 показывает, что прочность исследованных составов бетона в поздние сроки определяется в основном долей минеральной добавки в смешанном цементе. В связи с тем, что свойства бетонных смесей с повышенным расходом высокоэффективных СП очень чувствительны к расходу воды, расход минеральной добавки может быть использован в качестве параметра состава, позволяющего более эффективно управлять прочностью бетона, чем водоцементное отношение.
Литература
1. Каприелов С.С., Шейнфельд А.В. Влияние состава органоминеральных модификаторов бетона серии «МБ» на их эффективность // Бетон и железобетон. 2001. № 5. С. 11-15.
2. Волженский А.В., Попов Л.Н. Смешанные портландцементы повторного помола и бетоны на их основе. М.: Госстройиздат, 1961. 107 с.
3. Коровкин М.О., Гринцов Д.М., Ерошкина Н.А. Рациональное применение инертных минеральных добавок в технологии бетона // Инженерный вестник Дона. 2017, № 3. URL: ivdon. ru/ru/magazine/archive/N3y2017/4361.
4. Zhang Z., Xiao J., Han K., Wang J., Hu X. Study on the structural buildup of cement-ground limestone pastes and its micro-mechanism // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 263. D01:10.1016/j.conbuildmat.2020.120656.
5. Калашников В.И. Что такое порошково-активированный бетон нового поколения // Строительные материалы. 2012. № 10. С. 70-71.
6. Калашников В.И., Суздальцев О.В., Дрянин Р.А., Сехпосян Г.П. Роль дисперсных и тонкозернистых наполнителей в бетонах нового поколения // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2014. № 7. С. 11-21.
7. Knop Y., Peled A., Cohen R. Influences of limestone particle size distributions and contents on blended cement properties // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 71. P. 26-34.
8. Briki Y., Zajac M., Haha M. B., Scrivener K. Impact of limestone fineness on cement hydration at early age // Cement and Concrete Research. 2021. Vol. 147. DOI: 10.1016/j.cemconres.2021.106515.
9. Гаврилов А.В., Курочка П.Н. Соотношение размера частиц в полидисперсных структурах как первый шаг к оптимизации составов композиционных вяжущих // Инженерный вестник Дона, 2013, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1596/.
10. Курочка П.Н., Гаврилов А.В. Бетоны на комплексном вяжущем и мелком песке // Инженерный вестник Дона, 2013, №1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n 1y2013/1562/.
References
1. Kaprielov S.S., Sheynfel'd A.V. Beton i zhelezobeton. 2001. № 5. pp. 1115.
2. Volzhenskiy A. V., Popov L.N. Smeshannye portlandtsementy povtornogo pomola i betony na ikh osnove [Mixed re-grinding cement and concretes based on them]. Moskva: Gosstroyizdat, 1961. 107 p.
3. Korovkin M.O., Grintsov D.M., Eroshkina N.A. Inzhenernyj vestnik Dona. 2017, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N3y2017/4361.
4. Zhang Z., Xiao J., Han K., Wang J., Hu X. Construction and Building Materials. 2020. Vol. 263. D01:10.1016/j.conbuildmat.2020.120656.
5. Kalashnikov V. I. Stroitel'nye materialy. 2012. № 10. pp. 70-71.
6. Kalashnikov V.I., Suzdal'tsev O.V., Dryanin R.A., Sekhposyan G.P. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Stroitel'stvo. 2014. № 7. pp. 11-21.
7. Knop Y., Peled A., Cohen R. Construction and Building Materials. 2014. Vol. 71. pp. 26-34.
8. Briki Y., Zajac M., Haha M. B., Scrivener K. Cement and Concrete Research. 2021. Vol. 147. DOI: 10.1016/j.cemconres.2021.106515.
9. Gavrilov A.V., Kurochka P.N. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, №2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1596/.
10. Kurochka P.N., Gavrilov A.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2013, №1. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1562/.
