Быстротвердеющий, высокопрочный и морозостойкий бетон на основе шлакопортландцемента

Современная строительная индустрия направлена на ускорение темпа производства, получение качественных и долговечных материалов при пониженных затратах. При этом остро стоят вопросы утилизации побочных продуктов различных производств и снижения выбросов вредных веществ в атмосферу. Применение шлакопортландцемента (ШПЦ) при производстве бетонов актуально, поскольку позволяет комплексно решать экологические проблемы [1, 2], снижать затраты на производство [3] и обеспечивать повышенную долговечность бетонов в неагрессивных средах, при карбонизации, воздействии хлоридов, сульфатов и др. химически агрессивных веществ [4–6]. Кроме того, бетоны на ШПЦ не склонны к выщелачиванию, высолообразованию и возникновению внутренней коррозии из-за реакции щелочей с кремнезёмом заполнителей, что обусловлено формированием их структуры цементного камня с низким содержанием свободного гидроксида кальция [7].

Однако в области исследований бетонов на основе шлакопортландцемента чётко обозначаются две основные проблемы: низкая скорость твердения в нормальных условиях [8] и пониженная морозостойкость [9, 10]. Известно, что бетоны на ШПЦ твердеют наиболее эффективно при высокотемпературной тепловлажностной обработке, но это не обеспечивает высокую прочность и морозостойкость [11]. Об этом свидетельствует и ГОСТ 31384-2017 (см. табл. Д.З), который не допускает применение ШПЦ для бетонов, предназначенных для эксплуатации в средах с индексом XF2, XF3 и XF4. Решение этих проблем может открыть воз- можность применения ШПЦ для производства долговечных бетонов с высокими экономическими и экологическими показателями.

Ещё в 70-х годах прошлого века были получены быстротвердеющие шлакопортландцементы [12–14], но эффективность таких цементов оказалась ниже, чем эффективность портландцементов, поэтому эти разработки не нашли широкого применения. Современные исследования показывают, что многие добавки-ускорители, такие как нитрат кальция, формиат кальция, органическая щелочь триэтаноламин и кристаллическая затравка CSH, обычно эффективные для портландцементов, не вызывают значительного увеличения прочности бетонов на ШПЦ, особенно в ранние сроки твердения [15]. Самым эффективным способом ускорения твердения ШПЦ остаётся тепловая обработка, причём при повышенных температурах – 80...95 ° C [8]. На основе ШПЦ ранее получали бетоны с морозостойкостью до F₂ 300, применяя воздухововлекающие добавки и высокотемпературную тепловую обработку [16], но бетоны на ШПЦ нормального твердения (без тепловой обработки) всегда имели низкую морозостойкость. Следовательно, возможность получения эффективного быстротвердеющего, высокопрочного и морозостойкого бетона на основе шлакопортланд-цемента до настоящего времени не доказана.

Цель настоящей работы – доказать пригодность применения шлакопортландцемента для получения бетонов нормального твердения с высокими показателями по скорости твердения, прочности, морозостойкости и другим эксплуатационным характеристикам.

Для эффективного повышения функциональных свойств бетона на ШПЦ предложено:

• -    молоть гранулированный доменный шлак отдельно от цементного клинкера до высокой удельной поверхности (500...520 м²/кг) с введением при его помоле минеральных добавок-активаторов;

• -    в бетонной смеси предельно сократить водоцементное отношение с целью увеличения прочности, скорости её набора, снижения открытой пористости и, как следствие, повышения водонепроницаемости и морозостойкости бетона.

Материалы и методы испытаний

В данной работе шлакопортландцемент получали в бетонной смеси, раздельно дозируя портландцемент и молотый гранулированный доменный шлак с добавками-активаторами в количестве 40 и 60 % соответственно. Применяли портландцемент, соответствующий ЦЕМ I 42,5Н (ГОСТ 31108-2016), производитель – ООО «Дюккерхофф Коркино Цемент». Молотый гранулированный доменный шлак имел удельную поверхность 500...520 м2/кг и полностью соответствовал ТУ 38.32.22-012-99126491-2017 и EN 15167-1:2006, производитель – ООО «Мечел-Материалы».

В качестве суперпластификатора применяли MasterPolyheed 3045, производитель – ООО «BASF Строительные системы».

Крупным заполнителем для бетона принят гранодиоритовый щебень фракции 3-10, марки по дробимости 1200, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8267-93. Мелким заполнителем служил кварцевый песок с модулем крупности 2,73, соответствующий условиям ГОСТ 8736-2014, месторождение песка – Хлебороб.

Все испытания бетона проведены на образцах размером 10 × 10 × 10 см. Прочность бетона определяли в соответствии с ГОСТ 10180-2012, а его класс по прочности устанавливали с учётом требований ГОСТ 18105-2018 и ГОСТ 31914-2012. Испытание бетона на водопоглощение проводили по ГОСТ 12730.3-78. Морозостойкость разработанного бетона определяли и устанавливали в соответствии с ГОСТ 10060-2012 по третьему методу.

Результаты и их обсуждение

Но основе шлакопортландцемента разработан состав бетона с расходом цемента (ШПЦ) 530 кг/м³ и В/Ц = 0,27. Марка по подвижности разработанной бетонной смеси – П2 с сохраняемостью в течение 70 минут. Воздухововлечение в бетонной смеси составило 0,8 %. Из полученной бетонной смеси изготавливали образцы, которые твердели в нормальных условиях (t = 20±2 ° C, ф = 95±5 %) и далее подвергались испытаниям.

Для получения зависимости предела прочности бетона на сжатие от продолжительности нормального твердения (рис. 1) испытано по 4 образца-кубика на 1, 2, 3, 7, 14, 21 и 28 сутки. Средний внутрисерийный коэффициент вариации прочности в различные сроки испытания не превысил 2,8 %. В производственных условиях получить такой коэффициент вариации прочности очень затруднительно, поэтому принят стандартный коэффициент вариации 13,5 %, с учётом которого на рис. 1 справа нанесены пороговые отметки классов бетона по прочности на сжатие.

Нормальное твердение бетона в течение 28 суток обеспечивает ему среднюю прочность на сжатие 73,4 МПа. Согласно ГОСТ 18105-2018 и ГОСТ 31914-2012 установлено, что в производст-

Рис. 1. Результаты испытания бетона на прочность и их анализ

Строительные материалы и изделия

венных условиях разработанный бетон может применяться как бетон с классом по прочности на сжатие B55 (см. рис. 1). На 2-е сутки бетон обладает прочностью 39,0 МПа, что составляет 53 % от 28-суточной прочности. По классификации бетонов из ГОСТ 25192-2012 полученный бетон является быстротвердеющим (R2/R28 > 0,4) и высокопрочным (≥ B55).

Так как полученный бетон является высокопрочным, можно считать, что его стойкость к истиранию соответствует марке G1 в соответствии с зависимостями, полученными в других исследованиях [17]. Прочность бетона на осевое растяжение (5,1 МПа) и растяжение при изгибе (8,8 МПа) вычислены с помощью коэффициентов перехода от прочности на сжатие (73,4 МПа) к указанным видам напряжённого состояния. Коэффициенты перехода приведены в таблице Л.1 ГОСТ 10180-2012. Учитывая коэффициент требуемой прочности (1,305 при V m =13,5 %) и градации классов бетонов по прочности из ГОСТ 26633-2015, мы определили класс бетона по прочности на осевое растяжение – B t 3,6 и на растяжение при изгибе – B tb 6,4.

Водопоглощение по массе полученного бетона в возрасте 28 суток составило 2,6 %. Известно, что бетоны, изготовленные из бетонной смеси с В/Ц ≤ 0,3 и имеющие Wm ≤ 3,0 %, как правило обладают особо низкими показателями проницаемости и, как следствие, маркой по водонепроницаемости от W16 до W20 (ГОСТ 31384-2017, см. табл. Д.2). Таким образом можно установить, что бетон имеет марку по водонепроницаемости W16.

Далее выполнен анализ результатов испытания бетона на морозостойкость. Средние значения изменений массы и прочности образцов в зависимости от числа циклов замораживания-оттаивания представлены на рис. 2. Значения этих характеристик, полученные до замораживания, соответствуют нулю циклов и относятся к контрольным образцам, а все остальные значения, полученные после различного числа циклов, относятся к основным образцам (см. рис. 2).

До 37 циклов включительно бетон практически не теряет массу и прочность. Финальное испытание после 80 циклов показало сброс прочности в среднем на 5 %, а нижняя граница доверительного интервала прочности основных образцов опустилась ниже критерия морозостойкости по прочности (см. рис. 2). Среднее значение потерь массы образцов после 80 циклов не превысило 2 %, однако наблюдалось существенное шелушение поверхности образцов, что вызвало необходимость завершить испытание.

Испытание бетона после 55 циклов выявило, что нижняя граница доверительного интервала прочности основных образцов превышает 90 % от нижней границы доверительного интервала прочности контрольных образцов. То есть результаты испытания бетона после 55 циклов удовлетворяют критерию морозостойкости по прочности. Снижение массы составило лишь 0,16 %, а шелушения поверхности образцов не отмечено. Следовательно, марка бетона по морозостойкости соответствует F2 400 и F1 1 000. По классификации ГОСТ 25192-2012 полученный бетон можно отнести к бетонам высокой морозостойкости.

Заключение

Выявлено, что применение комплексных мер, включающих повышение тонкости помола гранулированного доменного шлака до 500...520 м2/кг, введение при его помоле минеральных добавок-

Рис. 2. Результаты испытания бетона на морозостойкость и их анализ

активаторов и обеспечение в бетонной смеси стеснённых условий эффективным суперпластификатором позволяет получать на основе шлакопорт-ландцемента быстротвердеющий, высокопрочный и морозостойкий бетон с высокой водонепроницаемостью и низкой истираемостью.

Разработана бетонная смесь с водоцементным отношением 0,27 и расходом цемента 530 кг/м3, содержащим 60 % молотого гранулированного доменного шлака с минеральными добавками. Эта бетонная смесь сохраняет марку по подвижности П2 в течение 70 минут, а полученный из неё бетон соответствует:

• -    классу по прочности на сжатие - B55;

• -    классу по прочности на растяжение при изгибе - B tb 6,4;

• -    классу по прочности на осевое растяжение - B t 3,6;

• -    марке по истираемости - G1;

• -    марке по водонепроницаемости - W16;

• -    марке по морозостойкости - F₂ 400 или F 1 1000.