Легкие бетоны на основе малоцементных вяжущих с использованием активированных закристаллизованных перлитов

Проблема повышения эффективности строительных материалов тесно связана с ростом их качества при снижении ресурсных и энергетических затрат на производство. В работе решение вопроса о повышении эффективности востребованных в строительстве легких бетонов связано с использованием в качестве сырья закристаллизованных перлитов. Данная разновидность перлитовых пород составляет до 70% в общем объеме добываемого перлитового сырья Забайкалья и отнесена к некондиционному сырью при добыче стекловидных перлитов. Проведенные исследования базируются на теоретических предпосылках о возможности снижения материальных и топливно-энергетических затрат при производстве легких бетонов за счет применения в составах вяжущих закристаллизованных перлитов, подвергнутых электронно-лучевой активации.

Основной целью являлось получение создание легких бетонов на основе малоцементных вяжущих с использованием активированных закристаллизованных перлитов. Наличие огромных запасов закристаллизованных перлитов и применение нового способа их активации создают на наш взгляд реальную основу для экономии цемента и повышения эксплуатационных свойств бетонов. Интерес к повышению активности закристаллизованного перлита также связан с тем, что перлитовые породы Забайкалья, обладая постоянным химическим составом, характеризуются широким разнообразием энергетического (термодинамического) состояния [1]. Это обстоятельство позволило выдвинуть предположение о возможности повышении активности закристаллизованных перлитов путем воздействия электронного пучка на структуру перлитовой породы.

Известно, что электронными пучками, которые относятся к чистым безынерционным источникам нагрева с высокой удельной мощностью, технически, экономически и экологически выгодно плавить и рафинировать тугоплавкие, жаропрочные и химически активные металлы, сплавы и специальные конструкционные стали. Электронная плавка значительно превосходит другие виды вакуумной плавки (индукционные и дуговые) благодаря точной дозировке и высокой концентрации энергии. Кроме того, она обеспечивает особую чистоту получаемого расплава, недоступную при рафинировании тугоплавких металлов в традиционных не электронных печах [2].

К главному преимуществу электронной плавки перлитового сырья относится то, что электроннолучевая активация обладает наименьшим энергопотреблением по сравнению с другими способами активации. Удельные энергозатраты убывают в ряду технологий: механическая (0,7 кВт∙ч/кг) → ультразвуковая активация (0,1 кВт∙ч/кг) → кавитационно-импульсная (0,025 кВт∙ч/кг) → электроннолучевая (0,006 кВт∙ч/кг).

В монографии Аввакумова [3] указано, что при механической активации предельные значения такого параметра, как энергия механоактивации выходят на некоторое постоянное значение и не увеличиваются с ростом механической энергии, расходуемой на единицу массы активируемого вещества, достигая величин удельных энергозатрат до 0,75-0,8 кВт.ч/кг порошка породы с удельной поверхностью Sуд = 610 м2/кг. Поэтому механоактивация в энергонапряженных агрегатах часто сопряжена со значительными энергетическими затратами и удорожанием продукции.

В наших исследованиях при активации закристаллизованного перлита электронная пушка работала при извлекающем напряжении до U = 10 кВ с током электронного пучка до I = 10^-1 А. Общая потребляемая мощность электронно-лучевой установки составляла от 5,5 до 6,0 кВт. Продолжительность активации – в пределах 4 с при толщине слоя активируемого за это время вещества (закристаллизованного перлита) 5 мм. На рис. показано изменение степени аморфизации C а закристаллизо-

масса пробы 500 г • масса пробы 1000 г масса пробы 2000 г

Рис. Изменение степени аморфизации ( С а ) закристаллизованного перлита в зависимости от величины тока электронно-лучевого потока I

Аморфизация структуры закристаллизованного перлита происходит, благодаря интенсивной бомбардировке направленным потоком электронов частиц закристаллизованных пород вследствие снижения энергии активации процесса перехода кристаллических фаз в аморфизированные. В исследованиях при получении малоцементного вяжущего и легких бетонов на его основе предварительно было получено бесцементное вяжущее с использованием активированного вышеуказанным способом закристаллизованного перлита Мухор-Талинского месторождения Республики Бурятия (табл. 1). В составах бесцементного вяжущего использованы известь негашеная (ГОСТ 9179-74) и щелочной компонент (NaOH, KOH).

Таблица 1

Химико-минералогический состав закристаллизованного перлита

Содержание стеклофазы, масс. %	Содержание оксидов, масс. %
	SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	FeO	CaO	MgO	R 2 O	П.П.П.
20-40	73,13	11,7	1,08	1,71	0,55	0,30	6,40	7,65

Установлено, что гидравлическая активность активированного закристаллизованного перлита на 20-25% ниже, чем у контрольного образца неактивированного закристаллизованного перлита. Оптические наблюдения за процессом гидратации перлитов показали интенсивный рост микроскопических хлопьевидных образований и новых фаз на активированных закристаллизованных перлитах. Рентгеноструктурным и термографическим анализами выявлено наличие в бескликерных вяжущих низкоосновных гидросиликатов кальция, количество которых растет с увеличением содержания СаО до 30%. Аморфизированный закристаллизованный перлит при пропаривании твердеет с образованием преимущественно микрокристаллического низкоосновного гидросиликата кальция CSH(B) и двухосновного C 2 SH(А), тогда как исходный закристаллизованный перлит твердеет с образованием в основном C 2 SH(А).

Получение малокликерных вяжущих осуществлялось на основе активированного закристаллизованного перлита и портландцемента Тимлюйского завода в присутствии суперпластификатора С-3. Помол 50% АЗП с 50% портландцемента и 0,8-1,25% С-3 от массы цемента позволяет получить малоклинкерного вяжущего (СВ-50) с активностью 40 МПа, как и у исходного цемента. При этом на основе бездобавочного цемента ПЦ-Д0 вяжущее СВ-50 имеет следующие показатели: удельная поверхность – 479 м2/кг, нормальная густота – 20,5%, сроки схватывания: начало – 1 ч 26 мин, конец – 3

ч 23 мин, прочность при сжатии после пропаривания – 28,2 МПа; а на основе цемента ПЦ-Д20: удельная поверхность – 509 м2/кг, нормальная густота – 23,4%, сроки схватывания: начало – 2 ч 44 мин, конец – 4 ч 10 мин, прочность при сжатии после пропаривания – 31 МПа.

Далее с применением центрального композиционного ротатабельного планирования при числе факторов k = 2, были получены зависимостей физико-механических свойств малоклинкерных вяжущих от содержания портландцемента и суперпластификатора С-3:

• а )    нормальной густоты цементного теста, %:

НГ = 22,24 - 4,39 X 1 - 2,08 X ₂ + 0,55 X 1 ² + 1,05 X ₂ ² + 0,625 X 1 X ₂;

• б )    средней плотности цементного камня, кг/м³:

р = 1810 + 175 X 1 + 44 X 2 + 28 X 12 - 9 Х 1 X ₂;

• в )    прочности при сжатии цементного камня в возрасте 28 суток нормального твердения, МПа:

R = 46,62 + 11,74 X 1 + 3,9 X ₂ - 4,63 X 1² - 2,85 X ₂ ² + 3,73 X 1 X ₂.

Исследование процесса структурообразования по результатам тепловыделения показало, что в малокликерных вяжущих твердение происходит более интенсивно по сравнению с исходным цементом. Фазовый состав новообразований, по данным рентгенофазового и дифференциальнотермического анализов отличается значительным содержанием гидросиликатов кальция типа CSN(B). По данным электронной микроскопии в цементном камне преобладает аморфная субмикрокристаллическая масса с прорастающими в ней и скрепленными между собой игловидными кристаллами тоберморита, эттрингита, C 2 SH(A) и др. Имеются вкрапления непрореагировавших зерен клинкера и аморфных перлитовых частиц, а также поры различного диаметра.

Особенности микроструктуры и фазового состава новообразований цементного камня позволили использовать разработанное вяжущее для получения легких бетонов. Малоклинкерное вяжущее СВ50 получали на основе портландцемента бездобавочного и с активной минеральной добавкой до 20%. В качестве крупного заполнителя использовался керамзитовый гравий Ангарского завода ЖБИ фракции 5-20 мм. Основные свойства легкобетонных смесей и бетонов на основе малоклинкерного вяжущего с использованием активированных закристаллизованных перлитов в табл. 2.

Таблица 2

Составы и физико-механические свойства легкобетонных смесей и керамзитошлакобетона

Вид вяжущего	Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси				В/Ц	Удобо-уклады-вае-мость, с	Средняя плотность, кг/м3			Предел прочности при сжатии, МПа
	вяжущего	круп. заполнителя, дм3	шлакового песка, дм3	воды, дм3			* ρ с.ул	** ρ ест.	*** ρ сух.	По сле ТВО, R 1пп	Через 28 сут. нормального твердения образцов
											R 28пп	R 28нт
ПЦ-Д0	140	1010	410	230	1,7	12	1220	1160	1000	5,6	8,2	7,1
-«-	205	1040	440	250	1,2	15	1320	1300	1100	11,7	13,1	13,0
-«-	260	990	420	250	1,0	15	1320	1320	1120	13,0	16,8	16,0
-«-	330	1010	400	300	0,9	15	1420	1400	1150	14,6	20,3	19,3
СВ-50	140	1050	430	240	1,7	10	1270	1250	1060	7,2	8,4	6,4
-«-	210	1050	420	245	1,2	15	1320	1280	1100	8,0	12,4	10,0
-«-	260	990	400	234	0,9	20	1300	1300	1120	10,2	15,0	14,0
-«-	330	1010	400	265	0,8	12	1380	1320	1150	11,3	18,2	17,1

ρ с.ул ^{* –} средняя плотность свежеуложенной смеси, ρ ест. ^** – средняя плотность бетона после пропаривания и ρ сух. ^*** – средняя плотность бетона в сухом состоянии.

Установлено, что замена в исходном вяжущем до 50% клинкера закристаллизованным перлитом, подвергнутым электронно-лучевой активации в комплексе с пластификатором С-3 практически не приводит к увеличению водопотребности равноподвижных легкобетонных смесей и к значительному снижению полученных бетонов.

Было выявлено, что керамзитовый гравий обеспечивает более высокую прочность бетона, чем вулканический шлаковый щебень при одинаковой объемной концентрации цементного камня в бетоне. В результате исследований основных строительно-технических свойств полученных бетонов было установлено, что:

• -    значение коэффициента призменной прочности разработанного керамзитошлакобетона отличается от аналогичного показателя для легких бетонов равной прочности по СНиП 2.03.01-84 и составляет 0,75;

• -    начальный модуль упругости при сжатии и растяжении керамзитобетона ниже нормируемых по СНиП 2.03.01-84 для бетонов равной прочности и средней плотности в среднем на 5-10%;

• -    относительная предельная сжимаемость керамзитошлакобетона находится в пределах 0,14-0,16 мм/м;

• -    величина усадки легких бетонов на малоклинкерных вяжущих в 1,3-1,5 раза выше, чем у бетонов аналогичных составов на портландцементе и достигает 0,4÷0,57 мм/м;

• -    сцепление арматуры с легкими бетонами на СВ-50 на 5-15% ниже по сравнению с обычными бетонами, что обусловливает повышенные требования к анкеровке арматуры в разработанных бетонах.

Технико-экономические расчеты показали, что использование в технологии легкого бетона более дешевого малоклинкерного вяжущего за счет применения в составах вяжущего активированного закристаллизованного перлита позволит в целом снизить стоимость материалов бетонной смеси на 2527% без потерь в качественных показателях готового легкого бетона.