Модифицированные мелкозернистые бетоны из высоконаполненных самоуплотняющихся смесей, содержащих мелкий природный кварцевый песок

В настоящее время одним из приоритетных стратегических направлений строительного    материаловедения    является    разработка    энергоэффективных модифицированных цементных бетонов, отличающихся комплексом высоких физикотехнических характеристик [1–5]. Общей особенностью современных модифицированных цементных композитов является высокая прочность (от 60÷100 МПа и выше), причем прочностные показатели возрастают с уменьшением содержания и размеров заполнителя, достигая максимальных значений при формировании высокопрочной тонкозернистой структуры, отличающейся высокой однородностью и отсутствием опасности разрушения по зоне контакта «крупный заполнитель – цементный камень» [6]. Эффективность мелкозернистой структуры при создании высокопрочных цементных бетонов подтверждена результатами авторских исследований [7–10].

В развитии технологии высокопрочных тяжелых и мелкозернистых бетонов решающую роль сыграли сформированные в результате многочисленных исследований и подтвержденные практикой научные основы модифицирования цементных систем химическими и активными минеральными добавками [11–16]. Применение эффективных индивидуальных добавок (суперпластификаторов на поликарбоксилатной и полигликолиевой основах, активных пуццолановых добавок – микрокремнеземов, дегидратированных каолинов и высокодисперсных зол, расширяющих добавок, реологически активных наполнителей из плотных горных пород и др.) и их комплексов стало ключом к решению многих технологических задач бетоноведения, в том числе – получению модифицированных цементных композитов повышенной прочности из самоуплотняющихся смесей [6, 17–19].

К самоуплотняющимся относят бетонные смеси с высокими показателями удобоукладываемости: расплыв стандартного конуса свыше 55-60 см при сниженных значениях водоцементного отношения до 0,35-0,4 и менее. Отличительной особенностью рецептуры самоуплотняющихся тяжелых или мелкозернистых бетонов с крупными песками является повышенное содержание реологически активной суспензионной составляющей, количество которой в различных бетонах колеблется от 40 до 50% [17–19]. Увеличение доли водно-дисперсной суспензии достигается введением тонкодисперсных порошков из горных пород осадочного, вулканического и метаморфического происхождения в количестве до 100÷150% от массы цемента, которые совместимы с известными пластификаторами и являются реологически активными в смеси с цементом [20] (известняк, мрамор, доломит, молотый кварцевый песок и др.). Однако вопросы получения самоуплотняющихся мелкозернистых бетонных смесей с применением распространенных мелких природных кварцевых песков с модулем крупности менее 2,0 малоизучены, особенно в малоцементных смесях с расходом вяжущего до 400 кг/м3, самоуплотнения которых невозможно достигнуть при минимуме воды и без расслоения при указанных степенях наполнения цементных систем вследствие высокой межзерновой пустотности и водопотребности указанных мелких заполнителей, а также низкой эффективности пластификаторов в подобных смесях вне зависимости от их дозировки [21].

В данной работе приведены результаты исследования водопотребности мелких природных кварцевых песков, а также проанализирована возможность получения на их основе составов самоуплотняющихся мелкозернистых бетонных смесей класса по удобоукладываемости SF1.

Водопотребность мелких природных кварцевых песков определялась по методике Б.Г. Скрамтаева и Ю.М. Баженова [22], основанной на подборе смесей одинаковой подвижности при сравнительных испытаниях цементного теста и растворной смеси с мелким заполнителем. Для определения водопотребности песка (Вп) на начальном этапе устанавливалось водосодержание цементного теста ((В⁄Ц)ц), при котором оно имеет расплыв конуса на встряхивающем столике (ГОСТ 310.4) около 170 мм, что приблизительно соответствует его нормальной густоте (ГОСТ 310.3). Затем определялось водоцементное отношение растворной смеси состава Ц/П=1/2 на исследуемом песке ((В⁄Ц)р), при котором она имеет тот же расплыв конуса на встряхивающем столике (170 мм). Водопотребность песка (%) вычислялась по формуле:

В п = ^{(В⁄Ц)р-(В⁄Ц)ц} ∙ 100% . (1)

В качестве вяжущего для приготовления растворной смеси использовался портландцемент класса ЦЕМ I 32,5Б с показателями нормальной густоты цементного теста НГ = 26,5% и, соответственно, водоцементного отношения (В⁄Ц)_ц = 0,265; в качестве мелкого заполнителя – природный кварцевый песок Новостепановского карьера Ичалковского района Республики Мордовия с модулем крупности М кр = 1,6 и содержанием пылеватых и глинистых частиц 1,6%. В результате фракционирования песка и отбора фракций менее 0,63 мм модуль крупности изменялся в диапазоне М кр = 1,4÷1,6. Данный вид мелкого заполнителя использовался в двух модификациях: в виде отобранной фракции менее 0,63 мм с М кр = 1,4 и средним размером зерна d ср = 0,23 мм (П1); в естественном сложении с размером зерна не более 5 мм, d ср = 0,29 мм и М кр = 1,6 (П2).

Результаты определения водопотребности исследуемых видов песка приведены в таблице 1. Как видно из представленных данных, природный кварцевый песок Новостепановского карьера имеет водопотребность в диапазоне Вп = 7,4÷8,3% с повышением данного показателя при увеличении средней дисперсности и уменьшении модуля крупности песка при его фракционировании.

Таблица 1

Результаты исследования водопотребности мелких природных кварцевых песков

На следующем этапе осуществлялся подбор составов самоуплотняющихся мелкозернистых бетонных смесей с применением карбонатного наполнителя – микрокальцита КМ100 (МКМ) компании ООО «Полипарк». Для повышения содержания тонкодисперсных компонентов и объемной концентрации вяжущего помимо микрокальцита использовались три вида минеральных добавок – микрокремнезем конденсированный неуплотненный МК-85 (МК) производства АО «Кузнецкие ферросплавы»; высокоактивный метакаолин белый (ВМК) производства ООО «Мета-Д»; добавка «Пенетрон Адмикс» (Адмикс) производства ООО «Завод гидроизоляционных материалов «Пенетрон». В качестве пластифицирующей добавки применялся поликарбоксилатный суперпластификатор Melflux 5581 F (СП) производства BASF Construction Solutions (Trostberg, Германия).

По результатам исследования разработаны составы самоуплотняющихся мелкозернистых бетонных смесей класса по удобоукладываемости SF1 (диаметр расплыва из конуса Хегерманна не менее 260÷280 мм, осадка и расплыв стандартного конуса Абрамса более 25÷25,5 см и 500÷550 мм соответственно) с мелким природным песком П1 (табл. 1), расходами портландцемента ЦЕМ I 32,5Б (Ц) в диапазоне от 239 до 739 кг/м3 бетонной смеси, долей МКМ – 45÷321% от массы портландцемента, содержанием СП Melflux 5581 F и воды – соответственно 0,7% и 0,202÷0,218 отн. ед. от массы смеси «Ц + МКМ». Данные самоуплотняющиеся смеси являются высоконаполненными системами, отличаются повышенным содержанием тонкодисперсных реологически активных компонентов (Ц + МКМ) и реологически активной суспензионной составляющей (Ц + МКМ + минеральная добавка + вода) – 340÷360 и 580÷600 л/м3 соответственно, обеспечивающим достаточную прослойку между частицами мелкого песка.

По результатам экспериментальных исследований (табл. 2) зафиксированы повышенные значения плотности модифицированных мелкозернистых бетонов из высоконаполненных самоуплотняющихся смесей с песком П1 – 2320÷2393 кг/м3 в нормальных влажностных условиях. При этом прочностные показатели в возрасте 28 суток исследуемых цементных композитов изменяются в широком диапазоне: соответственно при изгибе – 5,3÷14,9 МПа; при сжатии – 28,3÷115,8 МПа.

Исследуемые составы модифицированных мелкозернистых бетонов из высоконаполненных самоуплотняющихся смесей отличаются высокими темпами набора прочности: предел прочности при изгибе в возрасте 1 и 7 суток соответственно составил 28÷66 и 75÷86%, а при сжатии – 28÷44 и 71÷81% от прочности в возрасте 28 суток. По результатам анализа данных таблицы 2 установлена возможность получения высокопрочных мелкозернистых бетонов без активных минеральных добавок при расходе портландцемента 739 кг/м3: состав №1 с пределом прочности при сжатии и изгибе в возрасте 28 суток – 92,5 и 12,3 МПа соответственно.

Таблица 2

Составы и физико-механические свойства модифицированных мелкозернистых бетонов из высоконаполненных самоуплотняющихся смесей с мелким песком П1

По результатам исследования физико-механических свойств модифицированных мелкозернистых бетонов из самоуплотняющихся смесей с повышенным расходом портландцемента (701÷739 кг/м3) зафиксировано, что введение в рецептуру активных минеральных добавок микрокремнезема и метакаолина приводит к приросту прочностных показателей композитов. В частности, исследуемые прочностные характеристики мелкозернистых бетонов с МК и ВМК составов №2 и 4 выше аналогичных показателей немодифицированных активными минеральными добавками композитов контрольного состава №1 при близких расходах портландцемента: до 21 и 25% при изгибе и сжатии соответственно.

Введение в рецептуру добавки Адмикс (состав №3) способствует некоторому снижению прочностных показателей мелкозернистых бетонов в проектном возрасте (28 суток) по сравнению с композитами контрольного состава №1 при близких расходах портландцемента – на 14 и 11% при изгибе и сжатии соответственно. Данный эффект можно объяснить несколько повышенной водопотребностью мелкозернистых бетонных смесей с данной минеральной добавкой (табл. 2) и особенностью структуры полученных на их основе композитов (пористостью, фазовым составом цементного камня).

Таким образом, по результатам экспериментальных исследований разработаны составы модифицированных мелкозернистых бетонов классов прочности на сжатие В20÷В90 из высоконаполненных самоуплотняющихся смесей с расходом портландцемента 239÷739 кг/м3 и водосодержанием 212÷226 л/м3, в том числе высокопрочных класса В55 и выше с расходом портландцемента 485÷739 кг/м3, включающие карбонатный наполнитель, СП Melflux 5581 F, минеральные добавки МК, ВМК-б и Адмикс (при необходимости), мелкий природный кварцевый песок с модулем крупности 1,4, со следующими показателями качества: плотность в нормальных влажностных условиях в возрасте 28 суток – 2320÷2393 кг/м3; прочность при изгибе и сжатии в возрасте 28 суток – 5,3÷14,9 и 28,3÷115,8 МПа соответственно. Использование подобных самоуплотняющихся смесей в практике реального строительства будет способствовать внедрению ресурсосберегающих, энергосберегающих и более экологически чистых технологий за счет сокращения наращивания материало- и энергоемкого производства портландцемента, снижения выбросов вредных газов в атмосферу, уменьшения расхода энергии и топлива на укладку и формование бетонных смесей, снижения объемов авто- и железнодорожных перемещения сырья и замены дорогостоящих привозных заполнителей дешевыми местными песками.