Исследование физико-механических свойств модифицированного мелкозернистого бетона из местного сырья Республики Саха (Якутия)

В современном строительстве наиболее востребованным материалом для изготовления конструкций, зданий и сооружений является мелкозернистый бетон. Его доля и роль в мировой строительной индустрии стремительно возрастают и сопровождают развитие новых методов и подходов при разработке композиционных материалов различного назначения.

В условиях сложившихся экономических отношений рынок бетонных материалов нуждается в конкурентоспособной продукции относительно низкой стоимости. Такая продукция может быть получена с использованием местного природного сырья, сырья из отходов природного происхождения, в частности отсевов дробления прочных горных пород при производстве щебня (каменная мука), отходов растениеводства, лесозаготовок и лесопереработки.

Практической реализацией будет разработка модифицированных мелкозернистых бетонов, способных эксплуатироваться в экстремальных условиях Крайнего Севера, что даст возможность расширить диапазон применения бетонных конструкций и повысить ресурс и надежность их эксплуатации в подобных условиях.

Объекты и методы исследования

Природный цеолит месторождения Хонгуруу Республики Саха (Якутия) является алюмосиликатом с каркасной структурой, имеющей особую «пористую» структуру, возникновение которой объясняется замещением Si4+ на Al3+. Практическое применение цеолитов определяется их ионообменными и адсорбционными свойствами, термической и химической стойкостью, механической прочностью, строением кристаллической решетки, катионным составом [1].

Глинистое сырье обладает удовлетворительной формовочной способностью, средней пластичностью, а также характеризуется малой чувствительностью к сушке, малой воздушной и общей усадками. Данные гранулометрического анализа и химического состава глины приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 1 Результаты гранулометрического анализа глинистого сырья

Месторождение	Более 500 мкм	500-50 мкм	50-5 мкм	5-1 мкм	Менее 1 мкм
Ой-Бесское	-	31,4	-	51,9	16,7

Результаты гранулометрического анализа глинистого сырья (см. табл. 1) показали, что в глинистом грунте имеется большое количество пылеватых частиц от 1 до 5 мкм, что обеспечивает заполнение промежутков между более крупными частицами и повышает связующую способность глинистого материала, наличие тонкодисперсных частиц (менее 1 мкм) достаточно для изготовления из них материалов и изделий строительного назначения [2].

Таблица 2 Результаты химического анализа глинистого сырья

Химический состав	SiO 2	TiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	MnO	MgO	CaO	Na 2 O	K 2 O	P 2 O 3	SO 3	H 2 O	FeO
%	55,6	0,73	14,4	3,79	0,008	3,5	4,324	2,27	2,8	-	0,11	1,93	1,86

Результаты химического анализа глинистого сырья показывают, что глина Ой-Бесского месторождения относится к каолинит-гидрослюдистым грунтам глин. Наличие в составе глинистых грунтов каолинитовой группы со стабильной кристаллической решеткой и гидрофильностью создает формовочную способность, пластичность.

Отсев дробления производства щебня (каменной муки) представляет собой однородную смесь из остатков после дробления крупнообломочных грунтов. Согласно ГОСТ 8269.0-97 «Щебень и гравий из плотных горных пород и отходов промышленного производства для строительных работ. Методы физико-механических испытаний» были определены содержание органических примесей, насыпной плотности и влажности отсева дробления (табл. 3).

Таблица 3

Физико-технические характеристики отсева дробления

Наименование характеристики	Значение
Насыпная плотность, г/см3	1,61
Исходная влажность, %	1,6
Содержание органических примесей, %	14,29

В качестве добавки использовали суперпластификатор (далее - ПФМ-НЛК), который соответствует требованиям ГОСТ 24211 для пластифицирующих, водоредуцирующих (суперпластификатор и супреводоредуцирующая добавка) и повышающих морозостойкость добавок, а также для добавок, увеличивающих воздухосодержание. Добавка «ПФМ-НЛК» выпускается в форме порошка коричневого цвета или водного раствора темно-коричневого цвета, показатели качества которых соответствуют требованиям ТУ 5745-022-58042865-2007. Она представляет собой смесь натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот различной молекулярной массы с добавлением воздухововлекающего и гидрофобизирующего компонента.

Добавка «Полипласт СП-1» представляет собой смесь натриевых солей полиметилен-нафталинсульфокислот различной молекулярной массы, которая соответствует требованиям ГОСТ 24211 для пластифицирующих и водоредуцирующих добавок. Добавка «Полипласт СП-1» выпускается в форме водорастворимого порошка коричневого цвета или водного раствора темно-коричневого цвета, показатели качества которых должны соответствовать требованиям ТУ 5870-005-58042865-05. Применение добавки «Полипласт СП-1» позволяет увеличить подвижность бетонной смеси от П1 до П5 без снижения прочности бетона, снизить количество воды затворения от 21% и более, увеличить конечные прочностные характеристики бетона на 20% и более, снизить расход цемента до 22 % по сравнению с бездобавочным составом, получить бетоны с повышенной водонепроницаемостью и морозостойкостью.

Для исследования были изготовлены кубы размером 70х70х70 мм модифицированного мелкозернистого бетона со следующим составом: содержание глинистого сырья, природного цеолита и отсева дробления щебня составляли в каждом образце 5, 10, 20, 30 мас. % от веса цемента, содержание пластификаторов ПФМ-НЛК и С-1 в каждом образце – 0,4 мас.% от веса цемента. Время твердения составляло 28 сут в нормальных условиях, усилие прессования – 40 МПа, время нагрузки – 3 мин, в/ц – 0,38. Было исследовано влияние технологических параметров на прочность при сжатии разрабатываемых бетонных материалов, и определены их оптимальные значения для получения изделий с высоким комплексом свойств.

Обсуждение результатов

Анализ полученных экспериментальных данных по прочности при сжатии показал (рис. 1), что введение пластифицирующих добавок приводит к повышению прочности образцов на от 18,2 до 24,5 % по отношению к контрольным образцам.

Рисунок 1 – Прочность при сжатии образцов модифицированного мелкозернистого бетона

По результатам прочности при сжатии были выбраны оптимальные составы образцов модифицированного мелкозернистого бетона с составом гл10%+ПФМ-НЛК, цеол10%+СП-1 и каменная мука 30 %+СП-1, которые в дальнейшем будут подвержены испытаниям по водо-поглощению и морозостойкости.

Повышение прочности вызвано направленной кристаллизацией цементного камня за счет динамического дисперсного армирования, управления подвижностью и водоредуцирова-нием бетонной смеси за счет модификации мелкозернистого бетона пластификаторами [3].

Исследования водопоглощения и морозостойкости проводились по существующим стандартам: ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Метод определения водопоглощения» и ГОСТ 10060.2-95 «Бетоны. Ускоренные методы определения морозостойкости при многократном замораживании и оттаивании».

По результатам анализа исследования водопоглощения видно (рис. 2), что прочность при сжатии образцов после водопоглощения у выбранных образцов увеличивается в среднем в 1,5 раза по отношению с исходными образцами.

Исходный Глина10+ПФМ-НЛК Цеолит10+СП-1 Каменная мука5+СП-1

Состав образцов, %

Рисунок 2 – Прочность при сжатии образцов модифицированного мелкозернистого бетона после водопоглощения

Это объясняется тем, что в бетоне происходит продолжение гидратационного процесса, фиксируется положительный эффект уплотнения структуры вследствие кольматации крупных пор солевыми кристаллами и труднорастворимыми продуктами твердения, что приводит к общей тенденции роста прочности бетонов [4].

Дальнейшее исследование по определению морозостойкости проводилось по ускоренному методу при многократном замораживании и оттаивании при температуре -60°С, что важно для регионов Крайнего Севера (рис. 3).

По результатам исследования прочности при сжатии образцов при многократном замораживании и оттаивания видно, что материалы из модифицированного мелкозернистого бетона по прочности увеличиваются на 49,5-73,5% по сравнению с исходными образцами. Данный эффект связан с тем, что минеральная добавка, вводимая в бетонную смесь, приводит к снижению водопотребности, что позволяет сократить пористость затвердевшего бетона и тем самым способствует увеличению прочности после многократного замораживания и оттаивания [5].

мука5+СП-1

Состав образцов, %

Рисунок 3 – Прочность при сжатии образцов модифицированного мелкозернистого бетона после многократного замораживания и оттаивания

Таким образом, на основании проделанной работы были получены образцы модифицированного мелкозернистого бетона с высоким комплексом свойств, которые могут эксплуатироваться в регионах Крайнего Севера.