CC BY
0ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
В.С. Лесовик, д-р техн. наук, проф., e-mail: naukavs@mail.ru Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород
Л.А. Урханова, д-р техн. наук, проф., e-mail: urkhanova@mail.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, г. Улан-Удэ Р.С. Федюк, аспирант, ст. преподаватель, e-mail: roman44@yandex.ru Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток
УДК 691.33
ВОПРОСЫ ПОВЫШЕНИЯ НЕПРОНИЦАЕМОСТИ ФИБРОБЕТОНОВ НА КОМПОЗИЦИОННОМ ВЯЖУЩЕМ
Разработано композиционное вяжущее, полученное путем совместного помола цемента (55%), золы кислого состава (40%) и известняка (5%) до удельной поверхности 550 м2 /кг, активностью 77,3МПа. Установлено, что совместное влияние механохимической активации способствует увеличению пуццолановой активности кислых зол, оказывает каталитическое действие на реакционную активность поверхности золы и известняка. Выявлено, что добавки золы уноса и отходов дробления известняка в композиционное вяжущее при всех дозировках снижают водо- и газопроницаемость бетонов. Разработан состав фибробетона на композиционном вяжущем. При 1,6%-ном армировании стальной анкерной фиброй по объему удается получить максимальные физико-механические показатели фибробетона (Ясж=100,9 МПа). Выявлено, что разработанный бетон иммет эффективный коэффициент диффузии D, что позволяет обеспечить защиту помещений от токсических воздействий пенополистирола.
Ключевые слова: цементный камень, композиционное вяжущее, нанодисперсная добавка, непроницаемость, пористость.
V.S. Lesovik, Dr. Sc. Engineering, Prof. L.A. Urkhanova, Dr. Sc. Engineering, Prof. R.S. Fediuk, P.G.
ISSUES OF IMPROVEMENT LEAKS FIBER-REINFORCED CONCRETE ON COMPOSITE BINDERS
Developed composite binder obtained by co-grinding of cement (55%), ash acid composition (40%) and limestone (5%) to the specific surface area of 550 m2/ kg, the activity of 77.3 MPa. It was found that the combined influence of mechanical activation increases the pozzolanic activity of the acidic ashes, has a catalytic effect on the reaction activity of the surface of ash and sand. It was found that the addition offly ash and waste crushing limestone composite binding for all lower dosages and water permeability of concrete. Designed on the composition of the fiber-reinforced concrete composite binder. At 1.6% of reinforcing steel anchoring a fiber can be obtained in terms of the maximum physical and mechanical properties (R = 100.9 MPa). It was found that the developed concrete provides an effective diffusion coefficient D, it helps protect the premises from the toxic effects of expanded polystyrene.
Key words: cement stone, composite binders, nanodispersed supplement, impenetrability, porosity.
Введение
Важнейшими задачами современности являются снижение энергоемкости получения эффективных строительных композитов, улучшение экологической обстановки, оптимизация системы «человек - материал - среда обитания».
Представляется необходимой оптимизация процессов структурообразования бетонных смесей за счет использования промышленных отходов, что позволит повысить прочностные характеристики и значительно снизить проницаемость композитов при возведении зданий и сооружений, контактирующих с сильно агрессивными средами, например, в инженерных подземных сооружениях, где необходима пониженная газо- и водопроницаемость.
5 Вестник В СГУТУ . №№ 1 (58). 2016
Проблеме повышения плотности и прочности бетонов посвящено большое количество работ как российских [1, 2], так и зарубежных [3] ученых. Известно, что одним из способов повышения эксплуатационных характеристик бетонов, снижения параметров их проницаемости является использование высокоактивных добавок различного состава и генезиса как микро-, так и нанодисперсного уровня, которые способствуют оптимизации процессов струк-турообразования за счет инициирования формирования гидратных соединений [4].
Цель исследований - повышение непроницаемости и прочностных характеристик фиб-робетона за счет использования композиционных вяжущих на сырьевых ресурсах Дальнего Востока, полученных путем совместного помола цемента, гиперпластификатора, золы уноса ТЭЦ и отсева дробления известняка.
Условия и методы исследований
В качестве компонента композиционного вяжущего применялись золы уноса крупнейших ТЭС Приморского края: Владивостокской ТЭЦ-2, Артемовской ТЭЦ.
Использование техногенного сырья в производстве строительных материалов способствует решению основных задач: энерго- и ресурсосбережению, утилизации отходов, улучшению экологической обстановки в регионах. Зола уноса ТЭС является эффективным сырьем для производства активных минеральных и тонкодисперсных добавок.
Оптимизация процессов структурообразования при гидратации компонентов композиционного вяжущего создает плотную структуру матрицы, что необходимо для создания композита для защиты от выделений пенополистирола. Это может быть реализовано при совместном помоле портландцемента, полифункциональных минеральных добавок и снижения во-доцементного отношения бетонной смеси за счет применения гиперпластификаторов.
Для снижения водопотребности бетонной смеси производили выбор порошковых гиперпластификаторов из шести наиболее распространенных на дальневосточном рынке строительных материалов. Исследования показали, что достижение высоких значений расплыва конуса отмечается на сырьевой смеси вяжущего с применением гиперпластификатора PANTARHIT РС160 Рк ^М). Для дальнейших исследований были разработаны составы композиционных вяжущих с гиперпластификатором PANTARHIT РС160 Р^ (РМ) в количестве 0,3% при соотношении: вяжущее : песок = 1:3. Для определения оптимального количества компонентов в системе «цемент - зола - известняк» осуществляли их помол до удельной поверхности 600 м2/кг при различном соотношении (табл. 1). Для сравнения результатов исследований по подбору состава композиционного вяжущего было получено вяжущее низкой во-допотребности - ВНВ100.
Установлена положительная динамика роста прочности композиционного вяжущего при совместном влиянии мелкодисперсных составляющих золы, отсева дробления известняка и гиперпластификатора с максимальным повышением активности вяжущего на 62%.
Таблица 1
Составы и свойства композиционных вяжущих
Содержание цемента, мас. % Зола унос, мас. % Известняк, мас. % Предел прочности при сжатии, МПа
Владивостокская ТЭЦ-2 Артемовская ТЭЦ 3 cут 7 сут 28 сут
100 - - - 17 32,5 43,5
30 - 50 20 30,2 40,1 50,4
35 45 - 20 34,2 43,1 53,2
40 - 45 15 36,6 48,2 56,6
45 45 - 10 39,2 50,1 59,2
50 - 40 10 45,1 54,9 65,8
55 40 - 5 47,2 54,1 70,2
100 (ВНВ) - - - 60,3 81 103,2
С целью определения оптимального размера частиц композиционного вяжущего был произведен совместный помол цемента с гиперпластификатором, золой и отсевом дробления известняка (состав 7, табл. 1) до различной удельной поверхности: 500, 550, 600, 700, 800, 900 м2/кг (табл. 2).
Таблица 2
Активность композиционного вяжущего в зависимости от удельной поверхности
Твердение, сут Удельная поверхность композиционного вяжущего £уд, м2/кг
500 550 600 700 800 900
3 46,1 47,4 47,2 46,0 45,6 45,5
7 50,3 54,2 54,1 49,1 48,6 48,4
28 68,1 77,3 70,2 65,8 55,0 65,0
Установлено, что удельная поверхность вяжущего 8уд 550-600 м2/кг является оптимальной. Повышение 8уд сверх этих значений не приводит к дальнейшему существенному повышению прочности. Следует отметить сокращение сроков схватывания вяжущего до 35-40 мин за счет интенсификации процесса его гидратации при влиянии высокоактивных составляющих композита [5-7].
Исследование физико-механических свойств мелкозернистого бетона показало, что применение композиционного вяжущего, полученного путем совместного помола цемента, золы уноса, отсевов дробления известняка и гиперпластификатора, позволило повысить предел прочности при сжатии мелкозернистого бетона на 21% при сокращении практически в 2 раза доли цемента. В разработанном бетоне существенно выше, чем у контрольных образцов, призменная прочность и модуль упругости (табл. 3).
Таблица 3
Физико-механические характеристики мелкозернистого бетона в зависимости от состава вяжущего
№ состава Расход материалов на 1 м3 Подвижность (ОК), см Предел прочности при сжатии, МПа Призменная прочность, МПа Модуль упругости
Вяжущее, кг Отсев дробления гранитного щебня, кг Песок, кг Вода, л
Цемент Зола Известняк Е
1* 550 - - 1000 623 220 10-12 107,5 86,3 61,2
2 278 235 37 330 83,7 59,5 43,8
3 265 246 39 334 84,2 60,3 44,5
4 247 257 46 337 76,3 55,2 40,9
5 234 268 48 343 75,2 55,0 40,8
6 220 278 52 348 75,0 54,9 40,8
7** 550 - - 340 63,1 42,3 36,2
Примечания: * Вяжущее низкой водопотребности с удельной поверхностью 550 м2 /кг.
** Вяжущее на основе портландцемента производства ОАО «Спасскцемент».
Для оптимизации структурообразования мелкозернистого бетона на макроуровне была использована стальная анкерная фибра производства ООО «Фибра для бетона», ТУ 0991-123538-32025-2001. С учетом ранее выполненных исследований за контрольный был принят состав 2 (см. табл. 3), в который вводили фибру в количестве 24-45 кг/м3, т.е. до 2% от общей массы смеси с шагом 0,2%. Установлено, что оптимизация структуры на макроуровне позволяет повысить предел прочности при сжатии бетона на 24% (табл. 4).
Введение вместо стальной анкерной фибры базальтового волокна местного производства не привело к существенному улучшению физико-механических свойств бетона, поэтому для дальнейших исследований принимаем состав 5 фибробетона (1,6%-ное армирование).
Таблица 4
Зависимость прочности мелкозернистого фибробетона от процента армирования
№ состава Расход материалов на 1 м3, кг Армирование, % Ясж, МПа
вяжущее вода заполнитель фибра
1* 550 330 1623 - 0 81,3
2 550 330 1623 23,97 1 96,1
3 550 330 1623 28,76 1,2 97,3
4 550 330 1623 33,56 1,4 99,8
5 550 330 1623 38,35 1,6 100,9
6 550 330 1623 43,15 1,8 99,5
7 550 330 1623 47,94 2 99,6
Примечание. * Контрольный состав соответствует составу 2 (см. табл. 3).
На основании проведенных исследований установлено, что введение в состав композиционного вяжущего золы уноса и отсева дробления известняка способствует структурным и фазовым изменениям композита при формировании высокоплотных непроницаемых структур. Наилучшими физико-механическими показателями обладают мелкозернистые фибробе-тоны на разработанном композиционном вяжущем составов 2 и 3 (табл. 5), у которых достигается предел прочности при сжатии 100,2-100,9 МПа с коэффициентом диффузии 1,34-10-41,3910-4 см2/с. При этом максимальное снижение параметров непроницаемости наблюдается в составе 2 с заменой доли цемента в смеси вяжущего на 45% отходами производств (зола уноса и отсев дробления известняка) (см. табл. 5). Воздухопроницаемость бетона сократилась в 2 раза (до 0,0253 см3/с), что соответствует марке по водопроницаемости W14. Плотная структура фибробетона обеспечивает его влагостойкость и снижение водопоглощения по объему в 2,5 раза. Эти закономерности отражаются и на показателе паропроницаемости, который в условиях влажного климата достигает предела 0,021 мг/(мчПа).
Таблица 5
Эксплуатационные характеристики фибробетона в зависимости от состава вяжущего
№ состава Расход материалов на 1 м3 Подвижность (ОК), см Призменная прочность, МПа Предел прочности при сжатии, МПа Воздухопроницаемость бетона ас, см3/с Марка по водопроницаемости Ш )ффектив-ны коэффициент диффузии, см2/с Водопоглощение по объему, % Паропроницае-мость, мг/(м-ч-Па)
Вяжущее, кг Отсев + песок, кг Вода, л
цемент зола известняк Е
для сухого климата для влажного климата
1 550 - - 1,2 1623 220 10-12 66,3 115,5 0,0565 W10 1,56-10-4 14,8 0,032 0,030
2 278 235 37 1623 330 69,5 100,9 0,0253 W14 1,3410"4 6,1 0,022 0,021
3 265 246 39 1623 334 70,3 100,2 0,0289 W14 1,39 10"4 6,3 0,026 0,025
4 247 257 46 1623 337 65,2 96,3 0,0402 W12 1,64 10"4 7,8 0,027 0,026
5 234 268 48 1623 343 65,0 95,2 0,0465 W12 1,79-10"4 10,9 0,030 0,029
6 220 278 52 1623 348 64,9 95,0 0,0423 W12 1,82-10"4 14,4 0,032 0,030
Диффузионная проницаемость бетона определялась на основании данных о скорости нейтрализации (карбонизации) бетона углекислым газом в отсутствие градиента общего давления газовоздушной среды при наличии разности концентрации углекислого газа в бетоне и окружающей среде в период, когда процесс нейтрализации ограничен скоростью диффузии углекислого газа в пористой структуре бетона. Выявлено среднее значение толщины нейтрализованного слоя бетона для всех разработанных составов. Установлено, что разработанный
бетон имеет эффективный коэффициент диффузии $ = 1,34 -10 4 см2/с и покрытие из данного бетона позволяет обеспечить защитные функции помещения (бетон особо низкой проницаемости).
Таким образом, выявляется четкая связь между свойствами бетона и особенностями структуры цементного камня - увеличение количества гидросиликатных новообразований, при комплексном снижении гелевой и капиллярной пористости, особенно на молекулярном и субмикроскопическом уровнях, что предопределяет рост прочности и повышение непроницаемости бетона [8].
Апробация теоретических и экспериментальных исследований осуществлена на примере монолитной фибробетонной стены [9] с использованием разработанной несъемной опалубки. Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции Ro = 4,223 (м2-°С)/Вт, коэффициент паропроницаемости д = 0,021 мг/(м-ч-Па).
Разработанные на основе композиционного вяжущего составы фибробетона могут быть внедрены при строительстве зданий повышенной этажности.
Выводы
Таким образом, установлена возможность повышения непроницаемости фибробетона за счет варьирования количества и вида добавок, тонкости помола и условий твердения, что позволяет создавать материалы для многослойных ограждающих конструкций с пределом прочности при сжатии свыше 100 МПа, с низкой проницаемостью в реальных условиях эксплуатации. Реализация результатов исследований будет способствовать улучшению экологической обстановки в различных регионах, так как в состав фибробетона входит 50-60% промышленных отходов.
Библиография
1. Чернышов Е.М. Структурная неоднородность строительных композитов: вопросы материало-ведческого обобщения и развития теории (ч. 2) // Российская академия архитектуры и строительных наук. Вестник отделения строительных наук. Вып. 15. - М.; Орел; Курск, 2011. - С. 223-239.
2. Николаенко Е.А. Пуццолановый портландцемент с повышенными прочностными свойствами // Вестник ВСГУТУ. - 2014. - № 3 (48). - С. 63-69.
3. Laurent P. Granger. Effect of Composition on Basic Creep of Concrete and Cement Paste // Journal Of Engineering Mechanics. - 1995, November. - P. 1261-1270.
4. Урханова Л.А., Хардаев П.К., Архинчеева Н.В. и др. Влияние микродобавок кремнезема на свойства цементного камня и бетона // Вестник ВСГУТУ. - 2014. - № 5 (50). - С. 34-38.
5. Шумков А.И. Формирование и оптимизация макроструктуры тяжелого бетона // Технологии бетонов. - 2008. - № 7. - С. 52-53.
6. Хархардин А.Н. Модели потенциалов и сил // Известия вузов. - 2011. - № 2. - С. 117-126.
7. Хархардин А.Н. Структурная топология дисперсных систем взаимодействующих микро- и на-ночастиц // Известия вузов. - 2011. - № 5. - С. 119-125.
8. Хархардин А.Н, Топчиев А.И. Тяжелый бетон с плотным структурным каркасом заполнителя // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2001. - № 4. - С. 54.
9. Shurcliff W.A. Super solar houses - Saunders's 100% solar, low-cost designs. - Brick House Publishing Company, 1983. - 118 p.
Bibliography
1. Chernyshov E.M. Structural non-homogenity of construction composites: questions of materials and theory development (part' 2) // Russian Academy of Architecture and Construction Sciences .Bulletin of Construction Sciences. - Vol. 15. - M.; Orel; Kursk, 2011. - P. 223-239.
2. Nikolaenko E.A. Portland-pozzolan Cement with Increased Strength Properties // ESSTU Bulletin. -Ulan-Ude, 2014. - N 3 (48). - P. 63-69.
3. Laurent P. Granger. Effect of Composition on Basic Creep of Concrete and Cement Paste / Laurent P. Granger, Zdenek P. Bazant, Fellow, ASCE. // Journal Of Engineering Mechanics. - 1995, November. -P.1261-1270.
4. Urkhanova L.A., Khardaev P.K., Arkhincheeva N.V. et al. Influence of Silica microadditives on the properties of Cement stone and Concrete // ESSTU Bulletin. - Ulan-Ude, 2014. - N 5 (50). - P. 34-38.
5. Shumkov A.I. Formation and Optimization of Heavy concrete macro structure // Technologies of concrete. - 2008. - N 7. - P. 52-53.
6. Kharkhardin A.N. Models of Potentials and Forces // Izvestija vuzov. - 2011. - N 2. - P. 117-126.
7. Kharkhardin A.N. Structural Topology of disperse systems of micro- and nano parts // Izvestija vuzov. - 2011.- N 5. - P. 119-125.
8. Kharkhardin A.N,. Topchiev A.I. Heavy concrete with structures // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Stroitel'stvo. - 2001. - N 4. - P. 54.
9. Shurcliff William A. Super solar houses - Saunders's 100% solar, low-cost designs. - Brick House Publishing Company, 1983. - 118 p.
