CC BY
84
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
1
УДК 691.322 UDC 691.322
05.00.00 Технические науки
СВОЙСТВА МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Буренина Ольга Николаевна к.т.н.
Давыдова Наталья Николаевна н. с
Андреева Айталина Валентиновна м.н.с.
Даваасенгэ Сардана Сурэновна
м. н.с.
Саввинова Мария Евгеньевна
н. с
ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН, Якутск, Россия
Исследования мелкозернистых бетонов свидетельствуют о возможности использования минеральных механоактивированных и нанодобавок в комплексе с противоморозными добавками, обеспечивающими организацию производства бетонных работ при отрицательных температурах воздуха, что особенно важно для Арктических регионов
Ключевые слова: ЗИМНЕЕ БЕТОНИРОВАНИЕ, ПРОТИВОМОРОЗНАЯ ДОБАВКА, ПРОЧНОСТЬ ПРИ СЖАТИИ, ПЛОТНОСТЬ, ПОРИСТОСТЬ, НАНОДИСПЕРСНЫЙ ПОРОШОК АНОРТИТА, ШПИНЕЛЬ МАГНИЯ, КЛИНОПТИЛОЛИТ, МЕХАНОАКТИВАЦИЯ, АКТИВИРОВАННЫЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ НАПОЛНИТЕЛИ
Technical sciences
PROPERTIES OF THE FINE-GRAINED CONCRETE RECEIVED AT NEGATIVE TEMPERATURES
Burenina Olga Nikolaevna Cand.Tech.Sci., Leading Scientist
Davydova Natalya Nikolaevna scientist Researcher
Andreeva Aitalina Valentinovna junior researcher
Davaasenge Sardana Surenovna junior researcher
Savvinova Maria Evgenyevna scientist Researcher
Federal State-funded Research Institution Institute of Oil and Gas Issues, the Siberian branch of Russian Academy of Sciences, Yakutsk, Russia
Researches of fine-grained concrete testify the possibility of using mineral mechanically activated and nano-additives in a complex with the anti-frost additives providing the organization of production of concrete works at negative air temperatures that is especially important for the Arctic regions
Keywords: WINTER CONCRETING, ANTIFROSTY ADDITIVE, DURABILITY AT COMPRESSION, DENSITY, POROSITY, NANODISPERSE POWDER OF AN ANORTIT, MAGNESIUM SPINEL, KLINOPTILOLIT, MECHANICAL ACTIVATION, ACTIVATED MINERAL FILLERS
Применение быстротвердеющих цементов, а также бетонов с большими добавками солей, обеспечивающих организацию работ при отрицательных температурах, переход на индустриальные методы строительства и связанное с этим широкое использование сборных бетонных конструкций, значительно изменили технику производства бетонных работ на строительных площадках в зимних условиях. [1].
Основная причина прекращения твердения бетонных смесей при воздействии низких температур - замерзание в них воды. Известно, что содержание в воде солей резко снижает температуру ее замерзания. Если в http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/82.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
2
процессе приготовления в бетонную смесь ввести определенное количество растворенных солей, то процесс твердения будет протекать и при температуре ниже 0°С.
Введение противоморозных добавок — технологически наиболее простой, удобный и экономически выгодный способ зимнего бетонирования. Этот способ в 1,2—1,4 раза экономичнее, чем способ паропрогрева и бетонирования с предшествующим ограждением сооружения и его утеплением изнутри и в 1,3—1,5 раза экономичнее электропрогрева и электрообогрева. Безобогревное зимнее бетонирование благодаря применению противоморозных добавок позволяет экономить тепло- и электроэнергию при более гибкой технологии проведения работ [1].
Для достижения бетоном проектной прочности необходимо 28 дней выдержки при нормальных условиях. Но выдержать бетон столь долгий период в зимний период трудно. При замораживании бетона на ранних стадиях его твердение прерывается, так как, вся вода переходит в твердую фазу, а твердые тела в химическое соединение почти не вступает. К тому же, свободная вода, замерзнув, расширяется на 10% от первоначального объема, создавая пористую структуру, и образует наледь на зернах песка, что препятствует дальнейшему повышению прочности после размораживания. Это является главной причиной понижения прочности бетона при его раннем замерзании.
Применение добавок, ускоряющих процесс схватывания и твердения цементов, имеет особо важное значение в тех случаях, когда бетонные работы ведутся при пониженных положительных и отрицательных температурах наружного воздуха. В этом случае введение противоморозных добавок является выгодным, чем искусственное создание условий твердения. Необходимость в добавках-ускорителях
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/82.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
3
твердения возрастает при употреблении медленно твердеющих цементов
[3].
Комплексными противоморозными добавками можно предотвратить потери прочности бетона при раннем замораживании и при его дальнейшем твердении. Природа ускоряющего действия добавок заключается в повышении растворимости извести портландцемента и в ускорении процесса гидратации клинкерных минералов. При пониженных температурах продолжительность растворения извести уменьшается, а поэтому добавление ускорителей делается более эффективным.
В качестве вяжущего использовался портландцемент ПЦ 400 Д0 производства ОАО ПО «Якутцемент», соответствующий ГОСТ 10178-85, свойства которого представлены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-механические свойства портландцемента ПЦ 400
№ п/п Наименование показателя Величина
1 Водоцементное отношение 0,4
2 Тонкость помола, проход сквозь сито % 83 (13)
3 Нормальная густота цементного теста, % 26,0
4 Сроки схватывания: - начало: час-мин 3-50
- конец: час-мин 5-20
Определение прочности цемента в возрасте 28 суток, МПа:
5 - при изгибе 7,3
- при сжатии 46,5
В качестве заполнителя использовался речной песок из поймы реки Лена, по гранулометрическому составу в соответствии с ГОСТ 8736-93 относящийся ко II классу, к категории - очень мелкий. Модуль крупности песка Мкр = 1,29. Содержание зерен крупностью: свыше 5 мм - нет; менее 0,16 мм составляет 8,7%; содержание пылевидных и глинистых частиц -0,84 %. Зерновой состав песка представлен в табл. 2.
В качестве модифицирующих добавок были использованы:
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/82.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
4
- цеолит Кемпендяйского месторождения из наиболее освоенного пласта Хонгурин III, в котором содержание клиноптилолита составляет 75-90%.
- глина Ой-Бесского месторождения, относящаяся к каолинитгидрослюдистым группам глин, обладающая средней пластичностью, малой чувствительностью к сушке, малой воздушной и общей усадками;
- нанодисперсные порошки анортита (CaOAl2O3) и шпинели магния (MgAbO4), синтезированные в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН г. Новосибирск.
Таблица 2
Зерновой состав речного песка
Наименование Остатки, % по массе, на ситах Проход через сито с
остатка 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 сеткой №0,63, масс.%
Частный, аi - 0,3 2,8 7,4 12,1 69,7 8,7
Полный, Аi - 0,3 3,1 10,5 22,6 92,6 -
В качестве противоморозной добавки для зимнего бетонирования был использован комплекс добавок нитрита натрия (НН) и ПФМ-НЛК. ПФМ-НЛК производится в сухой форме в виде водорастворимого порошка коричневого цвета, который позволяет получать бетоны с повышенной морозостойкостью и водонепорницаемостью, увеличить прочностные характеристики бетона на 15% и более, снизить расход цемента в равноподвижных смесях на 10-15%.
В табл.3 приведен основной химический состав исходного сырья и минеральных добавок.
Таблица 3
Основной химический состав исходного сырья и минеральных добавок
SiO2 AhO3 Fe2O3 CaO MgO K2O+Na2O TiO2
цемент 21 6,55 3,67 61,64 3,97
песок 87,13-90,73 3,85-5,55 1,0-1,75 0,58-0,98 0,14-0,24 3,24-3,89
глина 55,6 14,40 3,79 1,24 3,50 5,7 0,73
цеолит 62,8 12,16 1,76 2,62 1,88 3,30 0,13
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/82.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
5
При этом модифицирующие добавки были подготовлены методом механоактивации в планетарной мельнице АГО-2. Противоморозная добавка ПФМ-НЛК разводилась в предварительно нагретой воде до 70° С. Готовые образцы в пресс-формах твердели в климатической камере в течение 28 суток при температуре минус 25°С. изменение массы снимались по истечении 3, 5, 7, 14 и 28 суток.
Для исследования были изготовлены образцы размером 70х70х70мм следующих рецептур (табл. 4, 5). Изготовление образцов проводили на вибростоле для получения изделий из бетона THYS-2 (Германия).
Таблица 4
Рецептуры модифицирующих добавок
Условное сокращение Модифицирующая добавка
П10+д 10% песок (акт.) + 90 песок (неакт.) + 0,7% ПФМ-НЛК + 4% НН
П20+д 20% песок (акт.) + 80 песок (неакт.) + 0,7% ПФМ-НЛК + 4% НН
П30+д 30% песок (акт.) + 70 песок (неакт.) + 0,7% ПФМ-НЛК + 4% НН
П50+д 50% песок(акт.) + 50 песок (неакт.) + 0,7% ПФМ-НЛК + 4% НН
Ц10+д 10% цемент (акт.) + 90 цемент (неакт.) + 0,7% ПФМ-НЛК + 4% НН
Ц20+д 20% цемент (акт.) + 80 цемент (неакт.) + 0,7% ПФМ-НЛК + 4% НН
Ц30+д 30% цемент (акт.) + 70 цемент (неакт.) + 0,7% ПФМ-НЛК + 4% НН
Ц50+д 50% цемент (акт.) + 50 цемент (неакт.) + 0,7% ПФМ-НЛК + 4% НН
Таблица 5
Рецептуры модифицурющих добавок, получаемых совместной активацией
Условное сокраще ние Модифицирующая добавка, масс.% Условное сокраще ние Модифицирующая добавка, масс.% Условное сокраще ние Модифицирующая добавка, масс.%
Ц5+д 5% цемент+ 5%цеолит+0,7%П ФМ-НЛК+4%НН Гл5+д 5% цемент + 5%глина+0,7%ПФ М-НЛК+4%НН ПЦ5+д 5% цемент+ 5%песок+0,7%ПФ М-НЛК+4%НН
Ц10+д 5% цемент+ 10%цеолит+0,7%П ФМ-НЛК+4%НН Гл10+д 5% цемент + 10%глина+0,7%П ФМ-НЛК+4%НН ПЦ10+д 10% цемент + 10%песок+0,7%П ФМ-НЛК+4%НН
Ц15+д 5% цемент+ 15%цеолит+0,7%П ФМ-НЛК+4%НН Гл15+д 5% цемент + 15%глина+0,7%П ФМ-НЛК+4%НН ПЦ15+д 15% цемент+ 15%песок+0,7%П ФМ-НЛК+4%НН
Снижение прочности бетона вследствие раннего замораживания происходит не за счет изменения протекающих в нем химических http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/82.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
6
процессов, а за счет нарушения его физической структуры. Расширение воды в бетоне приводит к раздвижению зерен цемента и заполнителей, к разрыхлению его структуры, вызывая ослабление сцепления растворной части бетона с заполнителем. Объемные изменения в бетоне при замерзании уменьшают плотность, отражаются на сцеплении заполнителя с цементным камнем, что приводит к снижению прочности.
Пористость бетона уменьшается с увеличением срока выдерживания. Наибольшую пористость имеют образцы, замороженные через 3 ч., т.е. в период схватывания цемента. Замораживание цементного камня и бетона в раннем возрасте вредно отражается на его структуру, значительно увеличивая пористость этих материалов.
При зимнем бетонировании плотность образцов с активированными минеральными наполнителями и комплексной добавкой ПФМ-НЛК снижается по сравнению с плотностью исходных образцов в целом на 10%, увеличение пористости на 20% наблюдается у образцов с активированным песком и наношпинелью магния (табл. 6).
Таблица 6
Физико-механические свойства модифицированного мелкозернистого бетона для зимнего бетонирования
№ Образец р, г/м3 Пп,% пмз,% Осж. МПа к, Вт/м
1. Исх +д 1,874 9,12 0,59 6,18 0,47
2. П (акт) 10+д 1,924 8,40 0,99 6,61 0,69
3. П (акт) 20+д 1,782 12,45 3,52 5,35 0,51
4. П (акт) 30+д 1,823 10,94 2,62 4,84 0,39
5. П (акт) 50+д 1,808 11,46 4,11 5,16 0,54
6. Ц (акт) 10+д 1,934 7,92 4,49 5,26 0,41
7. Ц (акт) 20+д 1,919 8,63 1,86 4,51 0,65
8. Ц (акт) 30+д 1,976 5,89 0,07 6,98 0,59
9. Ц (акт) 50+д 1,926 8,29 1,68 6,41 0,77
10. П (акт) 5 + Ц (акт)5+д 1,952 7,03 1,81 3,55 0,78
11. П (акт) 10 + Ц (акт) 10+д 1,909 9,09 0,26 4,98 0,75
12. П (акт) 15 + Ц (акт)15+д 1,970 6,18 3,36 6,09 0,66
13. Шпинель +д 1,783 11,44 5,40 5,05 0,79
14. Анортит +д 1,953 6,98 1,34 6,55 0,72
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/82.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
7
Низкие показатели прочности при сжатии объясняются технологическими факторами: твердение при отрицательной температуре (минус 25°С) и введение воздухововлекающей добавки могло привести к образованию очагов напряжения на границах раздела фаз с появлением множественных микротрещин и медленному протеканию химических реакций на этапе гидратации.
У остальных составов пористость остается на уровне исходных, при этом прочность при сжатии образцов с активированными минеральными добавками в среднем остается на уровне исходных, но заметен небольшой рост показателей у образцов с малым количеством активированных добавок (рис. 1, 2).
р , г/м3 Пп,%
Исх+д П 10+д П 20+д П 30+д П 50+д Ц 10+д Ц 20+д Ц 30+д Ц 50+д
Рис. 1 Плотность и общий объем пор образцов модифицированного мелкозернистого бетона при зимнем бетонировании
Известно, что технология изготовления модифицированного мелкозернистого бетона предусматривает применение противоморозных добавок, влияющих на скорость твердения и его конечную прочность. В связи с этим, было проведено исследование кинетики твердения модифицированного мелкозернистого бетона для зимнего бетонирования (табл.7).
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/82.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
8
о , г/м3
Пп,%
12
10
8
6
4
2
0
■ плотность
12
10
8
6
4
2
0
Исх+д ПЦ 5 +д ПЦ 10+д ПЦ 15+д Шп+д Аноотит+д
Рис. 2 Плотность и общий объем пор образцов модифицированного мелкозернистого бетона ссовместной активацией ингредиентов при
зимнем бетонировании
Таблица 7
Кинетика твердения модифицированного мелкозернистого бетона при зимнем бетонировании
Составы 1с 3с 7с 14с 21с 28с Прочность при сжатии, МПа
Исх.+д 10,66 11,19 11,4 11,42 11,63 11,74 6,18
П(акт)10+д 11,26 11,83 12,05 12,07 12,31 12,42 6,61
П(акт)20+д 10,65 11,19 11,41 11,45 11,72 11,85 5,35
П(акт)30+д 12,89 13,44 13,73 13,88 14,02 14,02 4,84
П(акт)50+д 9,97 10,55 10,88 11,01 11,15 11,23 5,16
Ц(акт)10+д 9,66 10,27 10,54 10,65 10,77 10,83 5,26
Ц(акт)20+д 11,48 12,03 12,32 12,45 12,59 12,63 4,51
Ц(акт)30+д 11,0 11,34 11,58 11,73 11,88 12,04 6,98
Ц(акт)50+д 11,34 11,69 11,98 12,12 12,23 12,42 6,41
П(акт)5+Ц(акт)5+д 12,94 13,35 13,65 13,88 13,89 14,12 3,55
П(акт) 10+Ц(акт) 10+д 12,62 13,11 13,34 13,58 13,61 13,83 4,98
П(акт) 15+Ц(акт) 15+д 10,14 10,59 10,49 10,99 11,03 11,19 6,09
Г л(акт)5+Ц(акт)5+д 10,69 11,13 11,35 11,61 11,66 11,82 4,41
Г л (акт) 10+Ц(акт)5+д 11,36 11,81 11,98 12,15 12,34 11,39 5,91
Г л(акт)15+Ц(акт)5+д 11,53 12,0 12,16 12,32 12,49 12,77 5,34
Цеол(акт)5+Ц(акт)5+д 12,14 12,61 12,75 12,89 13,03 13,28 5,63
Цеол(акт) 10+Ц(акт)5+д 11,42 11,86 11,99 12,15 12,33 12,57 5,03
Цеол(акт)15+Ц(акт)5+д 12,69 13,12 13,29 13,37 13,45 13,59 5,72
Анортит+д 11,98 12,37 12,53 12,61 12,67 12,78 6,55
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/82.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
9
В ходе исследования выявлено, что у образцов с большим значением изменения массы наблюдается низкая прочность при сжатии. Данный эффект показывает на ускоренную потерю слабосвязанной воды из цементного камня, что влияет на прочностные характеристики будущего материала. Исходя из этого можно судить о том, что в образцах бетона с высоким значением изменения массы происходит неполный процесс гидратации цемента, что подтверждается показателями прочности при сжатии.
Следующим этапом проекта было исследование модифицированных бетонов на теплопроводность (рис. 3), как одного из важнейших факторов для строительных материалов в условиях холодного климата. Результаты исследования представлены на рис.3.
Рис. 3. Зависимость теплопроводности от состава образцов модифицированного бетона
Из полученных данных видно, что значения теплопроводности образцов зимнего бетонирования лучше по сравнению с бетонами, твердевшими в нормальных условиях.
Это можно объяснить тем, что применение воздухововлекающих добавок в цементный раствор для зимнего бетонирования создает более пористую структуру, а ускоренный рост продуктов гидратации приводит к
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/82.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
10
быстрому заполнению значительного объёма капиллярного пространства с образованием большого количества микрокапилляров и прочных связей между частицами с более равномерным распределением микропор, которые влияют на улучшение показателей теплопроводности материала.
Таким образом, установлено, что применение воздухововлекающих добавок в цементный раствор для зимнего бетонирования создает более пористую структуру, а ускоренный рост продуктов гидратации приводит к быстрому заполнению значительного объёма капиллярного пространства с образованием большого количества микрокапилляров и прочных связей между частицами с более равномерным распределением микропор, которые влияют на улучшение показателей теплопроводности материала.
Проведенные экспериментальные исследования по улучшению технических характеристик мелкозернистых бетонов, полученных при отрицательных температурах, позволяют сделать следующие выводы:
1. Установлена возможность использования минеральных
механоактивированных и нанодобавок в комплексе с противоморозными добавками, обеспечивающими организацию производства бетонных работ при отрицательных температурах воздуха, что особенно важно для Арктических регионов.
2. Показано, что при действии низких температур на
модифицированные бетоны фазовый состав гидратных образований изменяется незначительно. Основные изменения обусловлены
сублимацией льда и превращениями гидратных соединений, в частности, эттрингита.
Литература
1. М. А. Садович. Методы зимнего бетонирования в условиях Севера: учебное пособие. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2009-104 с.
2. Руководство по применению бетонов с противоморозными добавками (НИИЖБ). - М.: Стройиздат, 1976. - 80 с.
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/82.pdf
Научный журнал КубГАУ, №112(08), 2015 года
11
3. М.Ю. Баженов. Технология бетона - М.: Изд-во АСВ, 2003. - 45с.
4. Физико-механические основы формирования структуры цементного камня / Л.Г. Шпынова, В.И. Чих, М.А. Савицкий и др. - Львов: Видня шк.: Изд-во Львов.ун-та, 1981. - 160с.
5. Лермит Р. Проблемы бетона. М.: Госстройиздат, 1958. - 293с.
References
1. M. A. Sadovich. Metody zimnego betonirovanija v uslovijah Severa: uchebnoe posobie. - Izd. 2-e, pererab. i dop. - Bratsk: GOU VPO «BrGU», 2009-104 s.
2. Rukovodstvo po primeneniju betonov s protivomoroznymi dobavkami (NIIZhB). -M.: Strojizdat, 1976. - 80 s.
3. M.Ju. Bazhenov. Tehnologija betona - M.: Izd-vo ASV, 2003. - 45s.
4. Fiziko-mehanicheskie osnovy formirovanija struktury cementnogo kamnja / L.G. Shpynova, V.I. Chih, M.A. Savickij i dr. - L'vov: Vidnja shk.: Izd-vo L'vov.un-ta, 1981. -160s.
5. Lermit R. Problemy betona. M.: Gosstrojizdat, 1958. - 293 s.
http://ej.kubagro.ru/2015/08/pdf/82.pdf
