В настоящее время достаточно широко изучены особенности и освоены технологии применения различных тонкодисперсных микронаполнителей (микрокремнезем, торфяная зола гидроудаления, отработанная формовочная смесь и т.д.). Благодаря использованию таких добавок появляется возможность экономить цемент, улучшать эксплуатационные качества бетонов, решать проблемы ресурсосбережения и утилизации отходов промышленности. Вопросам исследования строения бетонов с активными минеральными добавками уделяется мало внимания, хотя именно структурные характеристики могут отразить особенности прогнозируемых свойств высококачественных бетонов.
Наиболее важными величинами оценки макроструктуры бетона являются следующие параметры, определяющие технологические и физико – механические характеристики бетона:
— объемная концентрация цементного теста С;
— истинное водоцементное отношение (В/Ц)ист в конце периода формирования структуры;
— степень гидратации цемента α, оценивающая гидратацию цемента и изменение пористости цементного камня в период твердения.
Для исследования данных параметров, необходимо изучить влияние высокоактивных добавок на свойства вяжущего, определить плотность и водопотребность смеси для обычных и модифицированных бетонов.
Способы введения и активации добавок позволяют получать разные виды вяжущих:
— многокомпонентные – с заменой части цемента активной минеральной добавкой с дальнейшим перемешиванием;
— смешанные (композиционные) — с заменой части цемента активной минеральной добавкой и последующей механохимической активацией (совместным помолом).
Для смешанных вяжущих характерны более высокие показатели активности и прочности, но для их получения необходимо специальное оборудование, которое могло бы обеспечивать качество и время помола и определять удельную поверхность вяжущего. Многокомпонентные вяжущие боле просты в приготовлении, отчего и совершенствование и оптимизация их свойств представляют особый интерес.
Один из наиболее распространенных отходов производства является микрокремнезем, поэтому проблемы его утилизации по-прежнему актуальны. В России, Казахстане и Украине заводы по производству ферросплавов и кристаллического кремния ежегодно дают около 100…120 тыс. т микрокремнезема, что составляет примерно четверть объема, улавливаемого системами газоочистки на всех аналогичных производствах в мире [3, стр. 123].
Микрокремнезем конденсированный (МК) представляет собой пылевидный материал, состоящий из ультрадисперсных частиц сферической формы, получаемый в процессе газоочистки печей при производстве кремнийсодержащих сплавов и поставляется в трех отпускных формах — неуплотненной, уплотненной и в виде водной суспензии. Микрокремнезем конденсированный уплотненный (МКУ) производится путем уплотнения исходного материала (МК) с помощью специального оборудования с доведением насыпной плотности до 0,28 — 0,50 т/м3 [4].
В таблице 1 представлены материалы для экспериментальных составов модифицированных мелкозернистых бетонов на основе многокомпонентного вяжущего (МКВ).
Таблица 1
Материалы для модифицированного мелкозернистого бетона
| № п/п | Наименование компонента |
| 1 | Портландцемент ЦЕМ I 42,5 ЗАО «Белгородский цемент» |
| 2 | Песок крупный ОАО «Хромцовский карьер» Мк = 2,73, Вп = 6 % |
| 3 | Микрокремнезем МКУ-85 ОАО «Кузнецкие ферросплавы»
SiO2 = 93,8 %, |
| 4 | Вода водопроводная |
| 5 | Гиперпластификатор Stachement 2061/151.2, К=30 % |
Многочисленные эксперименты показывают, что использование микрокремнезема свыше 15 % от общей массы вяжущего значительно повышает водопотребность смеси, ввиду его высокой удельной поверхности (18 – 25 м2/г). На рисунке 1 показаны зависимости истинной плотности и нормальной густоты многокомпонентного вяжущего от расхода микрокремнезема.
Рисунок 1. Зависимости изменения свойств многокомпонентного вяжущего: 1 – истинной плотности; 2 – нормальной густоты
Анализ графика 1 (рис. 1) показывает, что истинная плотность МКВ снижается пропорционально количеству замещенного цемента микрокремнеземом. Следовательно, объем многокомпонентного вяжущего будет также уменьшаться в связи с заполнением частицами МК пустот цемента. В таком случае истинная плотность МКВ будет определяться по формуле 1:
где ρЦ, ρМК — истинные плотности цемента и микрокремнезема, кг/м3; МК – расход микрокремнезема, % от общей массы вяжущего.
Из графика 2 (рис. 1) видно, что в обычных смесях при дозировке МК от 2 до 14 % нормальная густота вяжущего увеличивается на 33 %. То есть, применение данного микронаполнителя свыше 6 % от общей массы вяжущего в бетонах с особыми требованиями по эксплуатационной надежности без водоредуцирующих добавок недопустимо. Нормальная густота МКВ и расход воды затворения равноподвижной смеси без химических добавок с учетом водопотребности компонентов будут определяться системой уравнений 2:
где НГЦТ – нормальная густота цементного теста, %; Ц — расход цемента, кг/м3; П – расход песка, кг/м3; ВП – водопотребность песка, %.
В работе [5] так же отмечено, что в равноподвижных смесях на каждый килограмм введенного в смесь микрокремнезема расход воды возрастает на 1 литр. В связи с этим, применение гиперпластификатора (ГП) как эффективного модификатора структуры позволит уменьшить водовяжущее отношение при приготовлении бетонов на основе МКВ с высокой водопотребностью.
Жидкий гиперпластификатор Stachement 2061/151.2 – эффективная добавка полифункционального назначения. Его механизм пластифицирующего действия отличается от суперпластификатора тем, что при адсорбции молекулярных цепей создается эффект взаимного отталкивания зерен цемента. Он суммируется с электростатическим эффектом, отчего увеличивается диспергация флокул цемента и водоредуцирование смеси.
Зависимости изменения расхода воды ΔВ — критерия эффективности водоредуцирующих добавок (%) и нормальной густоты многокомпонентного вяжущего от количества ГП в % от общей массы вяжущего представлены на рисунке 2 и описываются уравнениями 3.
Рисунок 2. Зависимости изменения свойств многокомпонентного вяжущего от количества ГП: 1 – расхода воды; 2 – нормальной густоты
где ГП – расход гиперпластификатора в перерасчете на сухое вещество, % от общей массы вяжущего.
Анализ графиков показал, что наилучшие показатели снижения расхода воды затворения смесей достигнуты при введении ГП от 0,25 до 0,75 % от массы вяжущего. При расходе гиперпластификатора от 0,9 до 1 % значительно увеличились сроки схватывания и снизилась прочность бетона.
Зная водопотребность компонентов смеси, можно определить истинное водовяжущее отношение W. Изменение водовяжущего отношения (В/В) и W бетона в зависимости от расхода гиперпластификатора (от 0 до 1 % от массы вяжущего) представлено на рисунке 3.
Рисунок 3. Изменение структурных характеристик В/В и W
Данные опыты подтверждают высокую эффективность добавки – уменьшение воды затворения смеси до 50 % и водовяжущего отношения равноподвижной смеси на основе МКВ (92 % цемента + 8 % микрокремнезема) с 0,476 до 0,233.
Проведенные исследования равноподвижных смесей и их свойств подтверждают важность всестороннего изучения многокомпонентных вяжущих, микронаполнителей и их влияния на показатели качества мелкозернистых бетонов.
Отмечено [2, п. 3.8], что максимальное содержание минеральных добавок в составе МСВ зависит от требований, предъявляемых к бетону (защитные свойства бетона по отношению к стальной арматуре) в ряде случаев может достигать 75 %. Поэтому определение оптимального расхода микронаполнителя позволит получать вяжущие с высокой активностью при существенной экономии цемента.
Данные эксперименты позволили установить взаимосвязь структурных характеристик и получить ряд важных уравнений, доказывающих изменение свойств вяжущего и процессов структурообразования при введении микрокремнезема и гиперпластификатора. Формулы 1, 2 и 3 могут быть применены при проектировании и оптимизации составов бетонов с заданной удобоукладываемостью. Использование структурных характеристик также позволяет получать уточненные зависимости «подвижность – состав бетонной смеси – свойства материалов» при значительных колебаниях состава смеси и свойств исходных материалов [1, стр. 95].
Именно исследования свойст бетонов на макроуровне откроют новые способы проектирования и прогнозирования свойств эффективных мелкозернистых бетонов с повышенными эксплуатационными качествами.
Список литературы:
- Баженов Ю. М. Технология бетона. / М.: Изд-во АСВ, 2002. — 500 с.
- Батраков В.Г., Силина Е.С., Соболев К.Г. Рекомендации по приготовлению и применению высоко — и сверхвысокопрочных и высокоплотных бетонов с МК/ М.: НИИЖБ, 1992.
- Русина, В.В. Минеральные вяжущие вещества на основе многотоннажных промышленных отходов: учебное пособие. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2007. – 224 с.
- ТУ 5743 – 048 – 02495332 – 96 Микрокремнезем конденсированный. / НИИЖБ. — М.: 1996.
- Sellevold E.J., Boger D.H., Jenser E. Silica Pume Cement Pastes: hydration and pore structure // Norwegian Institute of Technology, Trondheim, 1982, Report BML 82610, p. 19–50.[schema type=»book» name=»СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ НА ОСНОВЕ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ВЯЖУЩЕГО» description=»В статье представлены результаты исследований обычных и модифицированных мелкозернистых бетонов на основе многокомпонентного вяжущего. Доказано влияние микронаполнителя и химических добавок на нормальную густоту вяжущего, плотность смеси и структурные характеристики бетона. Получены важные зависимости, позволяющие определить расход компонентов в смеси и ее технологические показатели.» author=»Зотов Александр Николаевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-02″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_27.06.2015_06(15)» ebook=»yes» ]