CC BY
78
УДК 666.972.124
ВЛИЯНИЕ КАРБОНАТНЫХ ДОБАВОК НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЯЧЕИСТЫХ БЕТОНОВ А. А. Воробьев, В. И. Елфимов
Кафедра проектирования и строительства промышленных и гражданских сооружений Кафедра гидравлики и гидротехнических сооружений Российского университета дружбы народов Россия 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
Рассматривается влияние вводимых в состав ячеистого бетона различных по генезису карбонатных микронаполнителей на его атмосферостойкость, стойкость к воздействию углекислого газа 100%-й концентрации, трещи-ностойкость и морозостойкость. Также по результатам фазовых исследований цементного камня бетона и клинкерных минералов объясняется за счет чего происходит повышение долговечности ячеистого бетона с указанными добавками.
Важным направлением экономии материальных и энергетических ресурсов в строительстве является применение в производстве строительных материалов местного сырья и отходов различных производств. Так, например, на карьерах нерудных материалов при дроблении и распиловке карбонатных пород образуется большое количество мелочи с размером фракций менее 0.14 мм. Кроме того, в ряде регионов страны (во Владимирской, Нижегородской, Арзамасской и др. областях) имеются огромные запасы естественной доломитовой муки. Касаясь таких сырьевых материалов, следует отметить, что при введении их в состав тяжелых бетонов свойства последних улучшаются.
О свойствах ячеистых бетонов с карбонатными микронаполнителями информация недостаточная. Поэтому расширение ее имеет немаловажное значение и особенно по долговечности.
Ниже приведены результаты исследований стойкости к возведествию углекислого газа, изменения прочности во времени, морозо- и трещиностойкости автоклавного газобетона с карбонатными микронаполнителями.
Последние вводились в оптимальные составы газобетона (С = 1) взамен 20 % цемента разного минералогического состава (белгородского, воскресенского и подольского клинкерного) и приготавливались из мела, известняка, доломита и мрамора путем помола в двухсекционной лабораторной шаровой мельнице.
Испытания изготовленных из указанных составов бетона образцов показали, что прочность газобетона с карбонатными добавками при прочих равных условиях примерно такая же, как и у газобетона без них (контрольного состава). Так, на воскресенском цементе, содержащем СзБ = 49.8 %, СгБ = 24.0 %, СзА = 9.5 % и С4АР = 14.1 %, их значение равны соответственно 6.56 и 6.25 МПа, а на белгородском цементе, содержащем указанные минералы в количестве 62.1 %, 14.8%, 2.8% и 17.8%, -7.53 и 7.38 МПа. При применении цемента подольского завода (ПЦ 500 ДО) с содержанием С38= 57.0 %, С25=21.2 %, С3А = 4.95 %, СзАБ = 14.2 % прочность бетона на нем по сравнению с прочностью газобетона на белгородском цементе повышается соответственно на 15.5 и 13.8 %. Происходит это в результате повышенного содержания в цементе клинкера, т.к. в состав его при помоле вводился только двуводный гипс.
Причиной более высокой прочности бетона с карбонатными микронаполнителями, по данным рентгеноструктурного анализа, является то, что при наличии их в твердеющей системе повышается как общее количество цементирующего вещества, так и низкоосновных гидросиликатов кальция. Объясняется это, с одной стороны, увеличением степени гидратации цемента, а с другой стороны, более глубоким взаимодействием их с кремнеземом песка. На последнее указывает то, что в образцах газобетона с добавкой тонкомолотого известняка зерна кварца, как показывают петрографические исследования, корродированы значительно сильнее, чем в образцах контрольного состава. Кроме того, на увеличение прочности бетона оказывает значительное влияние и более высокая дисперсность новообразований, поскольку в этом случае больше концентрация их в единице объема. А чем больше точек соприкос-
новения, тем выше вследствие ван-дер-ваальсовых и электростатических сил взаимосвязь меящу ними.
Несомненно, на связующую способность новообразований оказывает большое влияние и форма их частичек. Так, просмотр снятых с контрольных образцов газобетона платиноугольных реплик показывает, что микроструктура его характеризуется либо прочно сросшимися крупными кристаллами гидросиликатов кальция (на подольском цементе), либо крупными кристаллами и субмикрокристаллической массой (на белгородском цементе). Для газобетона с кремнеземистым и карбонатным микронаполнителями характерна более мелкодисперсная структура, пронизанная игольчатыми (волокнистыми) кристаллами.
Небезынтересно, что для продуктов гидротермального твердения вяжущего, состоящего из 40 % СзБ, 10 % известняка с удельной поверхностью 450 м2/кг и 50 % песка с удельной поверхностью 240 м2/кг, характерна волокнистая структура с переплетением кристаллов. В случае отсутствия в составе вяжущего карбонатной добавки для них характерна более крупнокристаллическая структура, хотя и представленная низкоосновными гидросиликатами кальция. Заметим, что аналогичная структура продуктов гидротермального твердения характерна и для других клинкерных минералов без карбонатных добавок. В силу этого можно предположить, что последние в твердеющей системе являются еще и как бы центрами кристаллизации.
Таким образом, при введении карбонатных микронаполнителей в бетон или мономине-ральное вяжущее структура продуктов гидротермального твердения улучшается. А это, как известно, приводит к повышению прочности материала.
В табл. 1 приведены значения прочности вяжущих из клинкерных минералов (КМ), известняка и песка. Причем содержание компонентов в вяжущем принято такое же, как и в оптимальных составах газобетона.
Таблица 1
Влияние микронаполнителей на прочность клинкерных материалов
Наиме- нование КМ Наименование микронапол- нителя Состав вяжущего, % В/Т Предел прочности при сжатии, МПа / %
км извест- няк песок в воздушно-сухом состоянии в сухом состоянии
С3Б - 100 - - 0.31 38.7/100 43.2/100
известняк 80 20 - 0.30 44.3/114 49.5/114.6
песок 50 - 50 0.32 78.1/202 86/199
известняк + песок 40 10 50 0.29 86.8/224 88.7/205
СгБ - 100 - - 0.36 14.4/100 15.9/100
известняк 80 20 0.35 14.2/98.6 16.4/103
песок 75 - 25 0.355 42.7/296.5 47.9/301
известняк + песок 60 15 25 0.355 38.7/268.7 45.5/286
С3А - 100 - - 0.6 0 0
известняк 80 20 - 0.6 1.4 2.2
песок 50 - 50 0.5 10.1 10.9
известняк + песок 40 10 50 0.5 7.5 8.2
С4АР - 100 - - 0.21 36.5/100 38.6/100
известняк 80 20 0.21 31/85 37.3/96.6
песок 75 - 25 0.22 26.9/73.7 34.5/89.4
известняк + песок 60 15 25 0.22 12.6/34.5 15.4/39.9
Из данных таблицы видно, что при введении тонкомолотых карбонатных добавок в состав вяжущих из клинкерных минералов прочность их, кроме вяжущих на основе С,,АР,
повышается. Причем наиболее значительно она повышается у вяжущих на основе силикатных клинкерных минералов и при совместном введении в них кварцевого песка и известняка.
Введение указанных микронаполнителей в вяжущее на основе С3А хотя и приводит к увеличению прочности, но абсолютное значение ее невысокое. Поэтому в случае взаимодействия содержащегося в цементе в небольших количествах С3А с СаС03 карбонатной добавки не может произойти сколько-нибудь значительного повышения прочности бетона.
Следовательно, повышение прочности бетона при введении в состав его карбонатной добавки происходит в результате благоприятного воздействия ее на продукты гидролиза и гидратации силикатных клинкерных минералов и в первую очередь трехкальциевого силиката, приводящего к улучшению микроструктуры цементного камня.
При изучении долговечности материала определенный интерес представляет стабильность прочности во времени. Поэтому нами изучалась динамика изменения прочности газобетона с тонкомолотыми карбонатными добавками при длительном выдерживании образцов как в лабораторных условиях при температуре 20° С и относительной влажности воздуха около 60 %, так на крыше здания и под навесом на улице.
Результаты исследований показали, что при выдерживании образцов в лабораторных условиях и на стеллажах под навесом прочность их возрастает лишь в течение первых 6 месяцев, т.к. при последующем двухлетнем хранении она увеличивается на 1.5 - 2.0 %, тогда как за первые полгода хранения повысилась на 11 — 13 %.
Что касается образцов, установленных на крыше здания, то после двухлетнего хранения на ней образцы из газобетона с карбонатными добавками имели нормальный внешний вид и сохранили первоначальную прочность, тогда как образцы контрольного состава начали шелушиться и уменьшили прочность на 18.7 %.
Исследование стойкости газобетона с указанными выше карбонатными микронаполнителями при воздействии углекислого газа 100 %-й концентрации показало, что карбонизируется он в меньшей степени, чем бетон без них. Так, после 3, 10 и 40 суток карбонизации в нем образуется соответственно 15.55, 21.68 и 23.95 % карбоната кальция, тогда как в газобетоне контрольного состава - 40.23, 41.14 и 42.05 %.
На более низкую степень карбонизации указывает и менее значительное увеличение плотности, хотя новообразований в нем, по данным химического анализа, содержится примерно столько же, как и у газобетона контрольного состава. Поэтому объяснить отмеченное выше более низким расходом вяжущего, а он на 63 кг/м3 меньше, нельзя, поскольку, по данным Е. С. Силаенкова, ячеистые бетоны с различным расходом цемента, но с одинаковой плотностью и длительностью воздействия СОг имеют примерно одинаковую степень карбонизации. Поэтому причиной отмеченного выше, видимо, является микроструктура цементного камня с повышенным содержанием гидросиликатов кальция тоберморитовой группы, ибо, как отмечалось выше, она характеризуется более мелкими и прочно сросшимися кристаллами гидросиликатов. К тому же они, как бетон арматурой, пронизаны игольчатыми кристаллами, которые упрочняют систему. Возможно, именно по этой причине на образцах газобетона с карбонатными добавками едва заметные микротрещины образуются не как у контрольного состава через 3 сут. карбонизации, а через 10 сут.
Результатом воздействия СОг на газобетон является не только изменение физико - химических и физических характеристик структурных составляющих бетона, но и ухудшение ряда его свойств.
Испытание карбонизированных образцов на прочность при сжатии показывают, что она уменьшается по сравнению с первоначальными значениями. Однако характер изменения ее у газобетона контрольного состава и у газобетона с карбонатными добавками различный. Если в первом случае уменьшение ее происходит во все сроки карбонизации, то с карбонатными добавками - лишь в течение первых трех суток карбонизации, т.к. при дальнейшей карбонизации начинается ее повышение. Динамика изменения такая. Если после трехсуточной карбонизации прочность газобетона составляет от первоначальных значений 86 %. то после 10- и 40-суточной карбонизации - соответственно 89.35 и 91 %. Заметим, что у газо-
бетона контрольного состава с такой же продолжительностью карбонизации понижение прочности произошло соответственно на 12.2, 15.25 и 24.4 %.
На более значительное уменьшение микро- и макродефектности структуры газобетона с карбонатными микронаполнителями указывают и данные по прочности на растяжение при изгибе. Согласно им, после 40-суточной карбонизации прочность на растяжение при изгибе у газобетона контрольного состава уменьшается на 24.0 %, тогда как у газобетона с карбонатными добавками на 11.8 %. Вследствие карбонизации увеличивается также усадка бетона. Происходит это в результате разложения гидросиликатов кальция и потери гелем кремниевой кислоты химически связанной воды. Однако воздействие ее на бетон с карбонатными добавками проявляется в меньшей мере, чем на бетон без них.
Таким образом, деструктивные процессы в бетоне от воздействия С02 можно в значительной мере уменьшить, если в состав его вводить тонкомолотые карбонатные добавки в оптимальных количествах.
Ниже приведены сведения по усадке газобетона с указанными добавками на разных цементах при твердении в лабораторных условиях. Согласно им усадка бетона с ними на белгородском, воскресенском и подольском цементах соответственно на 26.6, 29.0 и 33.6 % меньше, чем у бетона контрольного состава на этих же цементах. Заметим, что и при одинаковом расходе цемента (252 кг/м3) она также на 28.0 % меньше. Поэтом) утверждения, что уменьшение усадки газобетона с карбонатными добавками происходит в основном за счет пониженного расхода цемента необоснованы. Видимо, причиной отмеченного выше является уменьшение обезвоживания гидратных оболочек субмикрокристаллов гелевидной составляющей в результате некоторой подпитки их водой из карбонатных микрочастиц и вследствие этого менее значительного сближения отдельных кристалликов цементного камня.
Исследование морозостойкости газобетона с тонкомолотыми карбонатными добавками показало, что при приготовлении их из твердых горных пород потери массы бетона после F50 не превышают на низкоалюминатном цементе 0.50 %, а на среднеалюминатном -2.1% и при Кмрз не ниже соответственно 0.98 и 0.92. При использовании в качестве микронаполнителя мела с удельной поверхностью около 900 м2/кг потери массы бетоном на этих же цементах возрастают соответственно до 0.78 % и 2.6 %, хотя Кмрз практически не изменяется.
При одинаковом расходе цемента на 1 м3 бетона (252 кг) коэффициент морозостойкости у газобетона с 20 %-й добавкой известняка (С = 1, ш = 0.2) после F50 равен 0.98 тогда, как у газобетона без него (С = 1.5) он равен 0.83. Объясняется это более высоким водопоглоще-нием газобетона контрольного состава из-за более высокой микропористости вследствие повышенной водопотребности его сырьевой смеси.
Таким образом, введение в состав ячеистых бетонов карбонатных микронаполнителей с дисперсностью не более 450 м2/кг является простым, экономичным и надежным способом повышения долговечности материала.
Реализация его возможна практически на любых предприятиях стройиндустрии и связана с незначительными затратами на изготовление и установку расходных бункеров и дозирующих устройств для хранения и дозирования микронаполнителей.
THE INFLUENCE OF CARBONATE AGENTS ON THE DURABILITY OF CELLULAR CONCRETE A. A. Vorobyov, V. I. Elfimov
Department of Engineering Russian Peoples’ Friendship University Miklukho-Maklaya st., 6, Moscow, 117198, Russia
The influence of carbonate microfillers of different genesis added to the cellular concrete mix on its atmospheric durability, resistance to attack by carbon dioxide of 100 % concentration, crack resistance and frost resistance is considered. Furthermore the reason of the durability increase of cellular concrete with the indicated agents is explained by the results of phase research of cement stone of concrete and clinker minerals.
