Гипсоцементные реакционные порошковые бетоны

Современное состояние развития строительной науки обуславливает при ремонте и усилении уникальных зданий и сооружений [1-3] использование вяжущих веществ и бетонов на их основе, обладающих высокой прочностью и скоростью ее набора, к которым относятся так называемые реакционные порошковые бетоны — Reactive powder concretes (RPC).

Обзор литературы

Идея RPC заключается в снижении до минимума дефектов структуры. Основными компонентами RPC, обычно, являются либо портландцемент [4], либо доменный гранулированный шлак [5, 6], либо шлаколамовое вяжущее [7]. В качестве наполнителей таких бетонов используют, чаще всего, микрокремнезем [5], золу-унос [8,9], известняк [10] и метакаолин [11], наноглины и силикаты [12-14] в количестве 25—30 % от массы цемента.

Тонкодисперсные компоненты RPC резко изменяют его реологические свойства, которые, обычно, ухудшаются из-за усиления межчастичных взаимодействий [15]. В то же время, при определенных условиях и дозировке тонкодисперсных компонентов, они способны уменьшать водопотребность бетонных смесей либо повышать их подвижность [16].

Для регулирования реологических свойств RPC смесей, обладающих низкой расслаиваемостью, применяют суперпластификаторы, основная функция которых заключается в деагрегации тонкодисперсных частиц в гетерогенных системах [17, 18].

Большинство известных RPC, которые получили широкое развитие, основаны на портландцементе, скорость гидратации которого ограничена и, очевидно, достигла предела.

В то же время известны RPC на основе доменных гранулированных шлаков [5, 6] или шлакошламового вяжущего [7]. Скорость гидратации вяжущих этих RPC, даже без применения добавок-ускорителей, достигает значительных величин. Недостатком таких RPC является их несовместимость с бетонами существующих конструкций, которые изготовлены, в основном, на портландцементе.

Как известно, достаточно высокой скоростью схватывания и твердения обладают гипсовые вяжущие вещества. Однако они обладают пониженной водостойкостью, которая ограничивает область их применения.

Повышение водостойкости гипсового камня может быть обеспечено совместным введением портландцемента и гидравлических добавок в различных соотношениях [1 9]. Так, Волженский А. В. [19] предложил применять трехкомпонентное вяжущее, которое имеет состав: 60-80 % гипса, 15-25 % портландцемента, 15-20 % гидравлической добавки.

Данные вяжущие и бетоны на их основе могут быть отнесены к RPC на гипсоцементном вяжущем, так как обладают всеми свойствами RPC. Кроме того эти бетоны обладают высокой скоростью схватывания и твердения, а также совместимы с бетонами существующих строительных конструкций, т.е. у них отсутствуют недостатки присущие другим видам RPC.

Недостатком данных бетонов является дефицитность изученных гидравлических добавок. В то же время известно, что в качестве гидравлической добавки может быть использовано натрий-кальциевое силикатное стекло [20-26], использование которого в качестве добавки в портландцементных композициях ограничено вследствие существующей проблемы взаимодействия натрий-кальциевого силикатного стекла с цементным камнем.

Таким образом, анализ известных работ показал, что, применяя определенные технологические приемы, натрий-кальциевые силикатные стекла можно использовать в качестве гидравлической добавки в гипсоцементные вяжущие. А это позволит, применяя достаточно дешевое сырье, повысить как прочность при сжатии, так и водостойкость гипсоцементных вяжущих, при сохранении высокой скорости формирования их свойств.

В то же время, имеются данные о том, что введение в бетонную смесь минеральных добавок [27] совместно с суперпластификатором, приводит к меньшей потере подвижности бетонной смеси, чем без минеральной добавки. В частности известен способ повышения прочности пенобетона введением в его состав комплексной добавки представляющей собой смесь минерального железосодержащего комплекса и полиспирта [27]. В описанных случаях происходит частичная адсорбция органического компонента добавки на минеральном компоненте, что снижает количество адсорбированного пластификатора на частицах вяжущего и новообразований и, как следствие, снижает эффект замедления гидратации вяжущего. Известные исследования в области флотации [28] показывают, что наиболее эффективно связывают органические ПАВ железосодержащие минеральные комплексы.

Анализ результатов известных исследований послужил основой научной гипотезы, которая заключается в следующем: для управления процессами структурообразования гипсоцементных вяжущих систем необходимо создание условий для протекания синтеза таких минерально-органических веществ, которые способны модифицировать структуру продуктов гидратации гипсоцементных вяжущих, способствуя достижению высокой прочности при сжатии и коэффициента размягчения затвердевшей системы. Наиболее приемлемыми являются минерально-органические системы, содержащие в качестве минеральной составляющей смесь натрий-кальциевого силикатного стекла и соединений железа, а в качестве органической составляющей – высшие спирты или их производные. Данный вид бетонов соответствует Reactive powder concretes (RPC) с заменой известных видов вяжущих на гипсоцементное.

Постановка задачи

Целью настоящей работы является получение гипсоцементных реакционных порошковых бетонов и определение степени влияния минерально-органической добавки, состоящей из натрий-кальциевого силикатного стекла, соединений железа и полиспирта, на прочность при сжатии и коэффициент размягчения гипсоцементного RPC.

Описание исследования

В исследования производили в соответствии со стандартными методиками. Определение прочности при сжатии производили на универсальной машине УММ-100 испытанием стандартных образцов (размер образцов 40 х 40 х 160 мм). Для изготовления образцов использовали стандартный портландцемент М400 производства ПАО «Хайдельберг цемент» (г. Кривой Рог) и гипс строительный Даниловского завода. Высокодисперсное натрий-кальциевое силикатное стекло получали дроблением промышленного и бытового стеклобоя в молотковой дробилке с последующим помолом в роторной мельнице до удельной поверхности 250-300 м2/кг. В качестве полиспирта применяли пропантриол-1, 2, 3.

Предварительными исследованиями было определено оптимальное соотношение между гипсом и портландцементом, которое составило 1:2,8. В результате исследований установлено, что введение в данную систему (заменой смеси гипса и портландцемента) до 12% молотого натрий-кальциевого силикатного стекла с удельной поверхностью 250-300 м2/кг приводит к незначительному увеличению прочности получаемого камня и значительному повышению водостойкости. Так в данном случае относительная водостойкость смешанного вяжущего характеризовалась коэффициентом размягчения 0,98, т.е. 150% коэффициентом размягчения камня, полученного в результате твердения смеси гипса и портландцемента в соотношении 1:2,8, а относительная прочность при сжатии – 120% или 35 МПа. Коэффициент размягчения определяли, как частное от деления численного значения прочности при сжатии образцов, хранившихся в воде в течение 48 часов, на численное значение прочности при сжатии образцов того же состава и размера, твердевших в сухих условиях (относительная влажность среды твердения этих образцов 50-60%).

Результаты экспериментов, приведенные в таблице 1, показывают, что с увеличением удельной поверхности натрий-кальциевого силикатного стекла увеличивается прочность бетона при сжатии.

Таблица 1. Влияние размеров частиц натрий-кальциевого силикатного стекла на прочность бетона при сжатии