CC BY
251
УДК 666.97
Нгуен Динь Чинь, Нгуен Тхе Винь, Ю.М. Баженов
ФГБОУВПО «МГСУ»
ВЫСОКОПРОЧНЫЕ БЕТОНЫ С КОМПЛЕКСНЫМ ПРИМЕНЕНИЕМ ЗОЛЫ РИСОВОЙ ШЕЛУХИ, ЗОЛЫ-УНОСА И СУПЕРПЛАСТИФИКАТОРОВ
Применение комплексных органоминеральных модификаторов, состоящих из суперпластификатора, золы-уноса и микрокремнезема или золы рисовой шелухи позволяет получить высокопрочные бетоны.
Ключевые слова: органоминеральный модификатор, суперпластификатор, С-3, поли-карбоксилат, зола-унос, микрокремнезем, рисовая шелуха.
Рассматриваемые в статье модификаторы бетона представляют собой поликомпонентную органоминеральную композицию, органическая часть которой состоит из суперпластификатора, а неорганическая — из тонкодисперсных материалов природного и техногенного происхождения. В качестве суперпластификаторов применялись С-3 (табл. 1) и поликарбоксилат Б1ка У18СоСге1е (БУС5№) (табл. 2), а в качестве
мелкодисперсных неорганических компонентов — смесь различных минеральных добавок: золы рисовой шелухи (ЗРШ), микрокремнезема (МК), золы-уноса теплоэлектростанций (ЗУ) (табл. 3).
Табл. 1. Физико-химические характеристики суперпластификатора С-3
Показатель Норма
Внешний вид Порошок светло-коричневого цвета
Массовая доля активного вещества в пересчете на сухой продукт, %, не менее 69
Массовая доля воды, %, не более 10
Массовая доля золы в пересчете на сухой продукт, %, не более 38
Показатель активности водородных ионов (рН) водного раствора с массовой долей вещества 2,5 % при 20 °С 7...9
Химический состав Сульфированный нафтали-но-формальдегид
Табл. 2. Физико-химические характеристики суперпластификатора 8УС5Ы
Показатель Норма
Внешний вид Мутная жидкость
Плотность, кг/л 1,1
Показатель активности водородных ионов (рН) водного раствора с массовой долей вещества 0,2.0,6 % при 20 °С 7±0,5
Химический состав Поликарбоксилаты
Начиная с 2009 г., все большее использование в монолитном строительстве получают высокопрочные бетоны, характеризующиеся повышенным расходом цемента, который является главным компонентом, отвечающим за прочностные и деформатив-ные характеристики бетона, а также за тепловыделение во время его твердения. В со-
© Нгуен Динь Чинь, Нгуен Тхе Винь, Баженов Ю.М, 2011
77
ВЕСТНИК 1/2012
временном строительстве к бетонным смесям и бетонам предъявляется комплекс требований, среди которых основными являются высокая подвижность и сохраняемость бетонной смеси, а также высокая прочность, долговечность, эксплуатационная надежность и доступная цена самого бетона [1].
Табл. 3. Физико-химические характеристики компонентов минеральной части комплексных модификаторов бетона
Физико-химические характеристики МК ЗРШ ЗУ кислая
Истинная плотность, г/см3 2,2 2,2 2,2
Удельная поверхность, м2/г 15 50...60 0,3
Средний размер частиц, мкм 0,2 0,05 11,4
Химический состав, %:
8Ю2 89,9 87,6 57,4
А12О3 1,0 2,45 28,46
СаО 0,48 1,52 2,06
Бе2О3 1,0 0,95 7,1
М^ — 0,8 —
БО3 0,92 — 0,1
Ыа2О 1,58 1,2 1,06
К2О 2,12 2,14 1,42
п.п.п. 3 3,34 2,4
Одним из наиболее перспективных и эффективных направлений в современном строительстве является комплексное использование различных органических и неорганических соединений в качестве добавок в бетон. Они существенно влияют на химические процессы формирования структуры цементного камня и твердения бетона, обеспечивают улучшение его физико-технических свойств, в т.ч. прочности, плотности, водонепроницаемости, морозостойкости, коррозионной стойкости и др. Такие добавки именуются комплексными модификаторами бетонной смеси и бетона.
Предыдущие исследования показали, что механизм действия модификаторов в цементных системах является двояким [2, 3]. С одной стороны, имеет место «физический» фактор воздействия. Он связан с тем, что ЗРШ, как и микрокремнезем, обладает рядом свойств, в основе которых лежат молекулярные процессы и явления в поверхностном слое твердой частицы ультрадисперсного материала, обладающего высоким соотношением площади поверхностного молекулярного слоя к общему объему частицы. Тонкодисперсные частицы ЗРШ заполняют объем между «грубодисперсными» частицами цемента. При этом, образуются многочисленные коагуляционные контакты, а также сокращается объем свободной воды, которая определяет текучесть системы и ее тиксотропность. Сокращение объема свободной воды и заполнение пространства между кристаллогидратами ведет к уменьшению капиллярной пористости цементного камня с одновременным увеличением количества гелевых пор.
Вторым фактором действия модификаторов в цементных системах является, так называемый, «химический» фактор. С одной стороны, ЗРШ, микрокремнезем и зола-уноса содержат в своем составе диоксид кремния аморфной модификации, способный вступать в реакцию с продуктами гидратации цемента. С другой стороны, высокая дисперсность золы рисовой шелухи и микрокремнезема предопределяет его повышенную химическую реакционную способность БЮ2. Следствием этого является процесс формирования более дисперсной, по сравнению с обычным бетоном, структуры цементного камня, а также увеличение содержания более прочных и устойчивых вторичных гидратов. При этом за счет преобладания низкоосновных гидросиликатов кальция типа СБН(!) повышается прочность и плотность бетона [2, 3].
Преимущества использованных сырьевых материалов. Высокие физико-технические свойства бетонов в значительной степени предопределяются структурой цементного камня, направленное регулирование свойств которой осуществляется с помощью органоминерального модификатора. Высокопрочная структура цементного камня может быть получена за счет изменения его фазового состава, т.е. баланса между кристаллогидратами, из которых сформирован скелет цементного камня, а также за счет снижения В/Ц и уменьшения капиллярной пористости.
Фазовый состав и капиллярная пористость цементного камня зависят как от состава неорганической части модификатора бетона, так и от природы его органической составляющей. Химико-минералогический состав неорганической части модификатора, в частности, содержание БЮ2, А1203, СаО в нем, а также степень дисперсности являются основными факторами, предопределяющими качество скелета цементного камня.
Известно, что, благодаря присутствию в тоберморитовом геле, образующимся при гидратации цемента, ренгеноаморфных минералов, состоящих из оксидов кремния и алюминия, источником которых служат компоненты неорганической части модификаторов бетонов в цементном камне будут преобладать низкоосновные гидросиликаты кальция типа СБИ(1), отличающиеся повышенной прочностью [4].
В свою очередь, основным фактором, влияющим на пористость цементного камня, является степень эффективности водоредуцирующего компонента — суперпластификатора, представляющего органическую часть комплексного модификатора бетона.
Механизм действия поликарбоксилатного суперпластификатора заключается в том, что частицы поликарбоксилатов адсорбируются на поверхности цементных зерен и сообщают им отрицательный заряд. В результате цементные зерна взаимно отталкиваются и приводят в движение цементный раствор (рис.) [5].
Частицы цемента в началыъй период Дисперп-рованьые частицы Механизм действия добавки поликарбоксилата
Гийратмрованные частицы
Расход суперпластификатора БУС5К для исследованных бетонных смесей составил 0,6.1,6 % от массы цемента.
Микрокремнезем — высокореакционная добавка, вызывающая эффект упрочнения твердеющего раствора, связывающая интенсивнее свободный Са(ОН)2, чем другие добавки, что позволяет получать бетоны с более высокой ранной прочностью при их твердений в нормальных условиях. Кроме того, использование микрокремнезема позволяет экономить до 20 % цемента, что существенно снижает стоимость бетона.
Микрокремнезем обладает уникальной способностью позитивно влиять на свойства бетона, улучшая его качественные характеристики: уменьшает водопоглощение, снижает водопроницаемость на 50 %, увеличивает прочность, морозоустойчивость, химическую стойкость, износостойкость, позволяет повысить долговечность бетона и его сопротивляемость внешним воздействиям, стойкость к сульфатной (в 2 раза) и хлоридной коррозии, воздействию слабых кислот, а также морской воды [4].
1/2012
Из табл. 3 видно, что химический состав ЗРШ и МК весьма близок и содержание аморфного диоксида кремния в них почти одинаково. Таким образом, более дорогой МК при получении бетонов с высокими эксплуатационными показателями может быть заменен на ЗРШ.
Результаты испытаний разработанных высокопрочных бетонов, содержащих комплексные органоминеральные добавки, приведенные в табл. 4 и 5 показывают, что если неорганическая часть модификатора бетона состоит из смеси ЗРШ с кислой зо-лой-уноса, то физико-технические свойства таких бетонов почти не уступают бетонам, содержащим смесь ЗУ и МК.
Табл. 4. Составы высокопрочных бетонов, модифицированных комплексными органоми-неральными добавками
№ Фактический состав бетонной смеси, кг Характеристики бетонной смеси
п /п ц щ П ЗУ МК ЗРШ С-3 Б1КА В ОК, см у, кг/м3 В/Ц
1 450 949 759 20 20 0 4 — 167 26 2369 0,37
2 443 935 748 20 — 20 4 — 169 22 2338 0,38
3 443 934 747 39 — 39 8 — 159 25 2371 0,35
4 455 961 768 23 — 23 0 3,5 160 24 2393 0,43
5 446 941 753 45 — 45 0 7 157 27 2393 0,43
Примечание. Ц — цемент Мальцовского завода; Щ — щебень из Сычевского карьера (фракции 5.20 мм); П — песок из карьера у села Пенезевичи; ЗУ — зола-уноса кислая Рефтинской ГРЭС; МК — микрокремнезем конденсированный уплоненный Новокузнецкого металлургического завода; ЗРШ — зола рисовой шелухи вьетнамская; С-3 — суперпластификатор ООО «Полипласт»; 81ка — суперпластификатор 8УС5^ В — вода.
При замене МК на ЗРШ снижение пуццолановой активности новых модификаторов бетона из-за более низкой степени дисперсности золы рисовой шелухи по сравнению с микрокремнеземом, приводящей к не столь значительному изменению баланса между кристаллогидратами новообразований в сторону преобладания более прочных гидросиликатов кальция типа СБН (I), компенсируется эффектом использования более активного водоредуцирующего агента — поликарбосилатного суперпластификатора БУС5К по сравнению с сульфированным нафталиноформальдегидом С-3, который выражается в значительном снижении капиллярной пористости, повышении плотности структуры цементного камня и прочности самого бетона (табл. 5).
Табл. 5. Прочность и плотность высокопрочных бетонов, модифицированных комплексными органоминеральными добавками
№ п/п Кубиковая прочность при сжатии, МПа Призменная прочность, МПа Прочность на растяжение при изгибе, МПа Плотность, кг/м3
7 сут 28 сут 28 сут 28 сут 7 сут 28 сут
1 53,7 62,8 52,4 6,8 2322 2326
2 47,6 60,8 50,7 6,7 2344 2405
3 54,1 64,3 55,6 6,9 2312 2311
4 62,3 67,3 57,3 7,0 2348 2343
5 58,1 74,1 62,4 7,5 2378 2354
Выводы. 1. ЗРШ Вьетнама обладает химическим составом и свойствами, отвечающими всем требованиям, предъявляемым к кремнеземной неорганической части комплексной органоминеральной добавки в бетон. Поэтому золой рисовой шелухи можно заменить более дорогой микрокремнезем без ухудшения физико-технических свойств модифицированного бетона.
2. Доза ЗРШ значительно влияет на водопотребность цементного теста, увеличивая ее. Поэтому, чем больше количество ЗРШ в 1 м3 бетонной смеси, тем больше требуется ввести в бетонную смесь суперпластификатора.
3. ЗРШ взаимодействует с поликарбоксилатным суперпластификатором SIKA лучше, чем с суперпластификатором С-3, представляющим собой сульфированный нафталиноформальдегид. Поэтому, для получения высокопрочных бетонов, в качестве органической составляющей комплексных модификаторов бетонов вместо сульфированного нафталиноформальдегида рациональнее использовать поликарбоксилатные суперпластификаторы.
Библиографический список
1. Баженов Ю.М. Бетоны повышенной долговечности // Строительные материалы. 1999. № 7-8. С. 21—22.
2. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны. Теория и практика. М. : Технопроект, 1998. 768 с.
3. Модифицированные бетоны в практике современного строительства / В.Г. Батраков, С.С. Каприелов, А.В. Шейнфельд, Е.С. Силина // Промышленное и гражданское строительство. 2002. № 9. С. 23—25.
4. Каприелов С. С. Общие закономерности формирования структуры цементного камня и бетона с добавкой ультрадисперсных материалов // Бетон и железобетон. 1995. № 4. С. 16—20.
5. Петров Ю.И. Физика малых частиц. М. : Наука, 1982. 359 с.
Поступила в редакцию в декабре 2011 г.
Об авторах: Нгуен Динь Чинь — аспирант кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, +7-(926)-561-82-98, [email protected];
Нгуен Тхе Винь — аспирант кафедры технологии вяжущих веществ и бетонов ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, +7-(909)-99-55-666, [email protected];
Баженов Юрий Михайлович — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой технологии вяжущих веществ и бетонов ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (МГСУ), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, +7-(910)-409-78-71, [email protected].
Для цитирования: Нгуен Динь Чинь, Нгуен Тхе Винь, Баженов Ю.М. Высокопрочные бетоны с комплексным применением золы рисовой шелухи, золы-уноса и суперпластификаторов // Вестник МГСУ. 2012. № 1. С. 77—82.
Nguyen Dinh Trinh, Nguyen The Vinh, Yu. M. Bazhenov
HIGH-STRENGTH CONCRETES WITH INTEGRATED USE OF RICE HUSK ASH, FLY ASH AND SUPERPLASTICIZERS
The use of complex organic-mineral modifiers consisting of superplasticizers, fly ash and sili-
cafume or rice husk ash yields high-strength concrete.
Key words: organic-mineral modifier, superplasticizer, C-3, polycarboxylate, fly ash, silica-
fume, rice husk ash.
Reference
1. Bazhenov Yu.M. Betony povyshennoj dolgovechnosti [Concrete durability]. Stroitel'nye materialy [Building Materials], no 7-8, 1999, Pp. 21—22.
BECTHMK 1/2012
2. Batrakov V.G. Modificirovannye betony. Teorija i praktika [Modified concrete. Theory and practice]. Moscow, Technoprojekt, 1998, 768 p.
3. Batrakov V.G., Kaprielov S.S., Sheynfeld A.V., Silin E.S. Modificirovannye betony v praktike so-vremennogo stroitel'stva [Modified concrete in modern construction practices]. Promyshlennoe i grazh-danskoe stroitel'stvo [Industrial and civil construction], № 9, 2002, p. 23—25.
4. Kaprielov S.S. Obshhie zakonomernosti formirovanija struktury cementnogo kamnja i betona s dobavkoj ul'tradispersnyh materialov [General regularities of structure formation of cement stone and concrete with the addition of ultrafine materials]. Beton i zhelezobeton [Concrete and reinforced concrete], no 4, 1995, Pp. 16—20.
5. Petrov Yu.I. Fizika malyh chastic [Physics of small particles]. Moscow, Science, 1982, 359 p.
A b o u t a u t h o r s: Nguyen Dinh Trinh — PhD student at the Department Technology binders and Concretes, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26, Jaroslavskoe highway, Moskow, 129337, Russia, +7-(926)-561-82-98, [email protected];
Nguyen The Vinh — PhD student at the Department Technology binders and Concretes, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26, Jaroslavskoe highway, Moskow, 129337, Russia, +7-(909)-99-55-666, [email protected];
Bazhenov Yuri Mihajlovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department Technology binders and Concretes, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26, Ja-roslavskoe highway, Moskow, 129337, Russia, +7-(910)-409-78-71.
F o r c i t a t i o n: Nguyen Dinh Trinh, Nguyen The Vinh, Bazhenov Yu.M. Vysokoprochnye betony s kompleksnym primeneniem zoly risovoj sheluhi, zoly-unosa i superplastifikatorov [High-strength concretes with integrated use of rice husk ash, fly ash and superplasticizers]. Vestnik MGSU [Proceedings of the Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no 1, Pp. 77—82.
