Повышение прочности тяжелого бетона при использовании дисперсных минеральных добавок

Автор: Ильина Л.В., Бердов Г.И., Гичко Н.О.

Журнал: Вестник Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления @vestnik-esstu

Рубрика: Строительные материалы и изделия (технические науки)

Статья в выпуске: 1 (88), 2023 года.

Бесплатный доступ

Использование дисперсных минеральных добавок позволяет повысить прочность тяжелого бетона как при твердении с использованием тепловлажностной обработки, так и при твердении в нормальных условиях. Наибольшее влияние на прочность при сжатии бетона оказывает добавка диопсида в количестве 9 мас. %, повышая этот показатель на 29 %. Оптимальная дозировка известняковой муки составляет 2 мас. %. При применении комплексной добавки соотношением известняк:диопсид, равное 1:2, в количестве 7 мас. % достигнута прочность при сжатии в 28-суточном возрасте 28,6 МПа. Рост прочности при этом составляет 40,9 %. Замена в составе комплексной добавки 30-35 % диопсида на известняковую муку обеспечит снижение энергозатратности получения добавки.

Еще

Тяжелый бетон, прочность при сжатии, минеральные добавки, диопсид, известняк, комплексная добавка

Короткий адрес: https://sciup.org/142237528

IDR: 142237528 | DOI: 10.53980/24131997_2023_1_66

Текст научной статьи Повышение прочности тяжелого бетона при использовании дисперсных минеральных добавок

Известно, что объем крупного заполнителя составляет до 80 % объема бетона. Авторы [1] утверждают, что если прочность крупного заполнителя превышает прочность искусственного камня на основе цемента более чем в 2–3 раза, то он не влияет на прочность бетона. О том, что прочность крупного заполнителя не может служить критерием оценки прочности тяжелого бетона, свидетельствуют данные, приведенные в публикации [2]. С.С. Гордон показал, что прочность бетона остается одинаковой как на гранитном заполнителе прочностью 160 МПа, так и на доломитовом известняке с прочностью 61,2 МПа [3].

П.И. Боженовым и В.И. Кавалеровой исследованы прочность растворов состава 1:3 на заполнителях из мрамора, кварца, полевого шпата и гранита при нормальных условиях твердения [4]. Установлено, что наибольший показатель прочности имели растворы на известняковом заполнителе.

Т. Сюй и Ф. Слейм испытали около тысячи образцов для определения прочности сцепления затвердевшего цементного теста с заполнителем и пришли к выводу, что прочность сцепления цементного камня с гранитом ниже, чем с известняком [5].

Д.Л. Блом и К.О. Гейнор связывают влияние щебня на прочность бетона с его водопо-глощением [2]. Схожих взглядов придерживается Ю.М. Баженов с соавторами [6].

Роль мелкого заполнителя в формировании структуры бетона особенно проявляется в «тощих» составах, когда на прочность композиционного цементного материала большое влияние оказывает зерновой состав заполнителей, определяющий плотность упаковки зерен [7, 8]. Мелкие пески имеют в единицу объема большее количество контактов, чем крупные, но «каждое зерно в них соединяется с другими меньшим числом связей» [9]. При этом структура материала оказывается менее прочной. Наибольшую прочность возможно достичь, если использовать полидисперсные пески с дефектной поверхностью частиц. Установлено, что прочность сцепления портландцементного камня с известняком выше, чем с кварцем [10].

Прочность цементной матрицы может быть увеличена при использовании микронаполнителей [11–15]. При их введении уже на стадии затворения происходит уменьшение размеров пор и пустот, а в процессе гидратации уменьшаются размеры капиллярных пор портландце-ментного камня. При этом его прочность при сжатии в возрасте 28 сут может возрасти в 2 раза [14]. Для повышения прочности в искусственный конгломерат на основе цемента вводят добавку микрокремнезема.

Ранее было установлено, что введение дисперсных минеральных добавок известняка и диопсида приводит к повышению прочности цементного камня [16]. В частности, использование комплексной добавки при соотношении компонентов диопсид:известняк, равном 2:1, позволяет повысить прочность цементного камня на 35–40 % как при твердении в течение 28 сут в нормальных условиях, так и после тепловлажностной обработки.

Целью настоящей работы является изучение влияния дисперсных минеральных добавок известняковой муки и диопсида на прочность тяжелого бетона.

Материалы и методы исследований

В качестве вяжущего вещества в исследовании использован портландцемент ЦЕМ II/А– Ш 32,5Б АО «Искитимцемент» (г. Искитим, Новосибирская область). Минеральный состав вяжущего, мас. %: С 3 S–67,0; C 2 S–11,0; C 3 A–6,4; C 4 AF–12,0. Основные физико-технические свойства вяжущего приведены в таблице 1. Его химический состав приведен в таблице 2.

Основные физико-технические свойства портладцемента

Таблица 1

Наименование показателя	Единица измерения	Значение показателя
1	2	3
Класс по прочности на сжатие		32,5
– предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут	МПа	43,5
– предел прочности при изгибе в возрасте 28 сут	МПа	7,4
Активность при пропаривании	МПа	31,2
Группа эффективности пропаривания		1-я группа
Тонкость помола, остаток на сите № 008	%	8,3

Продолжение таблицы 1

1	2	3
Нормальная густота	%	24,5
Сроки схватывания: – начало – конец	мин мин	200 250
Насыпная плотность	кг/м³	1280
Истинная плотность	кг/м³	3070

Примечание. Вяжущее соответствует требованиям равномерности изменения объема.

В качестве минеральных добавок в работе использовались:

– известняк (г. Искитим, НСО), состоящий в основном из углекислого кальция с незначительными примесями углекислого магния, кварца и железа,
– диопсид (CaO·MgO·2Si0 2 ) – отход от переработки флогопитовых руд Слюдянского месторождения (Иркутская область). Его состав (мас.%): диопсид 70–75, скаполит 10–20, флогопит - до 3. В таблице 2 приведен химический состав портландцемента и минеральных добавок.

Дисперсность добавок оценивалась на лазерном анализаторе типа PRO-7000 фирмы Seishin Enterprice Co., LTD, Япония. Результаты приведены в таблице 2. Плотность известняка – 2600 кг/м³, плотность диопсида – 3300 кг/м³. Твердость диопсида по шкале Мооса - 7, у кальцита, составляющего известняковую муку, – 3.

Таблица 2

Химический состав вяжущего и минеральных добавок

Наименование	Содержание оксидов, мас.%
Наименование	SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	CaO	MgO	Na 2 O	K 2 O	SO 3	TiO 2	П.п.п.
Портландцемент	20,7	6,9	4,6	65,4	1,3	-	-	0,6	-	0,5
Диопсид	56,3	1,0	0,7	25,7	15,4	0,1	0,1	-	0,1	0,6
Известняк	0,6	0,3	0,2	56,9	0,6	-	-	-	-	40,4

При оценке межфазового взаимодействия минеральной добавки и гидратированного цемента большую роль играет дисперсность добавок [9]. Их гранулометрический состав представлен в таблице 3.

Таблица 3

Показатели дисперсности минеральных добавок

Показатель	Вид добавки
Показатель	диопсид	известняк
Среднеобъемный размер частиц, мкм	27,0	12,3
Площадь удельной поверхности, м²/кг	393	470
Объемная доля частиц менее 4 мкм, %	16,3	12,3
Объемная доля частиц менее 16 мкм, %	31,9	49,3
Объемная доля частиц менее 32 мкм, %	46,9	78,6

В качестве мелкого заполнителя использовался песок ОАО «Камнереченский каменный карьер», ЗАО «НерудЗапсиб». Минеральный состав песка, мас.%: кварц - 80–90, полевой шпат - 10–20. Насыпная плотность песка - 1420 кг/м³, истинная плотность песка - 2650 кг/м³. Содержание пылеватых, глинистых и илистых примесей - 0,5 мас.%.

В качестве крупного заполнителя использовался известняковый щебень фракции 5– 10 мм (п. Горный, Тогучинского района НСО). Марка по дробимости 1400, по морозостойкости – F300. Истинная плотность щебня – 2750 кг/м³, насыпная плотность - 1360 кг/м³. По содержанию загрязняющих примесей, игольчатых и лещадных частиц щебень удовлетворяет требованиям ГОСТ 8267.

Принят следующий порядок приготовления бетонной смеси. В течение 1 ч в шаровой мельнице смешивались портландцемент и дисперсная минеральная добавка. Затем в полученное вяжущее добавлялись заполнители, смесь тщательно перемешивалась в сухом состоянии, затем с водой. Контрольный состав бетонной смеси содержал, кг/м3: цемент – 275, песок – 740, щебень – 1240, вода – 175.

Добавки вводились в количестве 1–11 мас.%, причем рассматривалось как введение каждой из добавок в отдельности, так и их совместное использование в соотношении извест-няк:диопсид, равном 2:1, 1:1 и 1:2.

Из полученной бетонной смеси формовались образцы размером 100×100×100 мм, которые твердели в нормальных условиях и при тепловлажностной обработке по режиму: подъем температуры – 3 ч, изотермическая выдержка при 85 оС – 6 ч и снижение температуры – 2 ч.

Образцы испытывались на прочность при сжатии через 1, 3, 7 и 28 сут нормального твердения, а также после тепловлажностной обработки.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты экспериментов представлены в таблице 4. Коэффициент вариации при испытании по прочности не превышал 3,5 %.

Таблица 4

Влияние вида и количества дисперсных минеральных добавок на прочность бетона

Условия и срок твердения		Предел прочности при сжатии, МПа
		Содержание добавки, мас.%
		0	1	2	3	5	7	9	11
Диопсид
ТВО		15,9±0,2	16,6±0,2	18,2±0,2	18,4±0,2	19,9±0,2	20,6±0,2	20,1±0,3	18,4±0,3
Нормальные условия	1 сут	4,6±0,05	4,8±0,06	5,2±0,06	5,3±0,06	5,6±0,06	5,8±0,06	6,4±0,07	5,0±0,06
	3 сут	10,2±0,1	10,5±0,1	11,6±0,1	11,8±0,2	12,3±0,2	12,4±0,2	12,6±0,2	11,9±0,2
	7 сут	15,1±0,2	15,5±0,2	16,9±0,2	17,3±0,2	18,4±0,2	19,0±0,2	19,5±0,2	17,8±0,2
	28 сут	20,3±0,3	20,8±0,3	23,5±0,3	24,2±0,3	25,0±0,3	25,8±0,3	26,2±0,3	23,7±0,3
Известняк
ТВО		15,9±0,2	17,4±0,2	17,9±0,2	17,6±0,2	17,3±0,2	15,8±0,2	15,5±0,2	15,0±0,2
Нормальные условия	1 сут	4,6±0,05	6,4±0,06	6,9±0,06	6,7±0,06	6,1±0,06	5,3±0,04	4,7±0,05	4,5±0,05
	3 сут	10,2±0,1	12,3±0,2	13,0±0,1	12,7±0,2	12,3±0,2	11,6±0,1	10,8±0,1	10,2±0,1
	7 сут	15,1±0,2	16,1±0,2	17,2±0,2	16,8±0,2	16,2±0,2	15,7±0,2	15,3±0,2	15,0±0,2
	28 сут	20,3±0,3	22,0±0,3	23,4±0,3	22,6±0,3	22,2±0,3	21,4±0,2	20,7±0,3	22,0±0,3
Известняк:диопсид,					равное 2:1
ТВО		15,9±0,2	17,5±0,2	-	18,0±0,2	18,2±0,2	17,6±0,2	16,5±0,2	16,1±0,2
Нормальные условия	1 сут	4,6±0,05	5,6±0,06	-	5,9±0,06	6,1±0,06	5,6±0,06	5,2±0,06	4,5±0,06
	3 сут	10,2±0,1	11,7±0,1	-	12,1±0,2	12,5±0,2	11,8±0,2	11,4±0,1	10,6±0,1
	7 сут	15,1±0,2	15,8±0,2	-	16,6±0,2	17,1±0,2	16,1±0,2	15,4±0,2	15,1±0,2
	28 сут	20,3±0,3	22,1±0,3	-	23,3±0,3	23,9±0,3	22,3±0,3	20,9±0,3	20,5±0,3
Известняк:диопсид,					равное 1:1
ТВО		15,9±0,2	17,9±0,2	-	18,2±0,3	19,1±0,2	18,7±0,2	17,5±0,2	16,9±0,2
Нормальные условия	1 сут	4,6±0,05	5,1±0,06	-	5,7±0,07	5,9±0,07	5,6±0,07	5,2±0,06	4,7±0,05
	3 сут	10,2±0,1	11,2±0,1	-	11,9±0,2	12,3±0,2	11,8±0,2	11,5±0,1	10,8±0,1
	7 сут	15,1±0,2	16,8±0,2	-	17,3±0,2	17,9±0,2	17,3±0,2	16,7±0,2	15,8±0,2
	28 сут	20,3±0,3	23,1±0,3	-	24,0±0,3	24,9±0,3	23,7±0,3	23,1±0,3	21,0±0,3
Известняк:диопсид,					равное 1:2
ТВО		15,9±0,2	18,1±0,2	-	19,1±0,3	20,3±0,3	22,4±0,3	19,8±0,3	18,1±0,2
Нормальные условия	1 сут	4,6±0,05	4,8±0,06	-	5,5±0,07	5,7±0,07	6,5±0,08	6,2±0,07	4,7±0,06
	3 сут	10,2±0,1	11,1±0,1	-	12,6±0,2	13,2±0,2	13,7±0,2	12,8±0,2	11,9±0,2
	7 сут	15,1±0,2	16,9±0,2	-	18,3±0,2	20,0±0,2	21,1±0,2	19,9±0,2	17,4±0,2
	28 сут	20,3±0,3	22,8±0,3	-	25,5±0,3	26,7±0,3	28,6±0,3	27,0±0,3	23,9±0,3

Анализ экспериментальных данных показал, что наибольшее влияние на прочность бетона оказывал дисперсный диопсид, оптимальная дозировка которого составиляла 9 мас.%. При этом прочность при сжатии в сравнении с бетоном без добавления данной добавки возросла на 29 %. Оптимальное количество известняка – 2 мас.%. При использовании комплексной добавки в количестве 7 мас.% максимальная прочность достигнута при соотношении известняк: диопсид равном 1:2 и составила в 28-суточном возрасте 28,6 МПа. Рост прочности при оптимальной дозировке комплексной добавки 7 мас.% достигает 40,9 %.

Следует отметить, что максимальная прочность при оптимальном содержании комплексной добавки на 9 % выше этого показателя для состава с добавкой 9 мас.% диопсида. Изменение соотношения компонентов в составе комплексной добавки известняк:диопсид от 2:1 до 1:2 привело к повышению предела прочности при сжатии бетона в 28-суточном возрасте нормального хранения на 20 %.

При введении в состав бетона комплексной минеральной добавки, содержащей несколько компонентов, может возникнуть их взаимное влияние путем усиления или ослабления действия индивидуальных компонентов.

Применяемые в работе минеральные добавки (диопсид и известняк) существенно различались по составу и свойствам. Вместе с тем выбор этих добавок был обусловлен близостью их термодинамических характеристик с минералами портландцементного клинкера и продуктами их гидратации [16]. Кроме того, данные добавки предотвращают распространение в цементном камне микротрещин при действии внешних напряжений.

Использование известняка в составе комплексной добавки в большей степени обусловлено близостью его химического состава с минералами портландцементного клинкера, воздействием CaCO 3 на процесс гидратации цемента и на фазовый состав цементного камня.

При анализе влияния минеральных добавок на механическую прочность бетона необходимо также учитывать модуль упругости материала добавки. Если твердость, а следовательно, и модуль упругости добавки больше, чем у гидратированного цемента, то при действии внешних нагрузок происходит перераспределение механических напряжений между частицами добавки, обладающей более высокой твердостью, и цементным камнем. Из числа рассматриваемых компонентов комплексной добавки наибольшей твердостью обладает диопсид, это и будет определять его воздействие на перераспределение напряжений между компонентами системы искусственного камня.

Заключение

Результаты экспериментов показали, что наибольшее влияние на прочность тяжелого бетона оказывает добавка диопсида, массовая доля которой 9 мас.% позволяет повысить этот показатель на 29 %.

При малых дозировках (1–2 мас.%) в возрасте 28 сут прочность бетона с добавками диопсида и известняка сопоставимы.

Наибольшая прочность (28,6 МПа в 28-суточном возрасте нормального хранения) достигнута при использовании комплексной добавки с содержанием известняк:диопсид, равном 1:2, и введении ее в количестве 7 мас.%. Рост прочности при этом составляет 40,9 %.

Замена в составе комплексной добавки 30–35 % диопсида на известняк, обладающий меньшей твердостью по шкале Мооса, обеспечит снижение энергоемкости получения комплексной добавки и позволит получить экономический эффект.

Список литературы Повышение прочности тяжелого бетона при использовании дисперсных минеральных добавок

Грушко И.М., Глущенко Н.Ф., Ильин А.Г. Структура и прочность дорожного цементного бетона. Харьков: Выща шк., 1965. – 135 с.
Bloem D.L., Gaynor R.D. Effects of aggregates properties on strength of Concrete // ACI Journal, Proceedings, 1963. – Vol. 60, N 10. – P. 14291456. – DOI:10.14359/7900.
Гордон С.С. Структура и свойства тяжелых бетонов на различных заполнителях. М.: Строиздат, 1969. – 151 с.
Боженов П.И., Кавалерова В.И. Влияние природы заполнителей на прочность раствора // Бетон и железобетон.  1961. – № 3. – С. 20–22.
Hsu Thomas T. C., Slate F.O. Tensile Bond Strength between Coarse Aggregate and Cement Paste or Mortar // Journal of the American Concrete Institute, 1963. – Vol. 60, N 4. – P. 456486. DOI:10.14359/7863.
Баженов Ю.М. [и др.] Структурные характеристики бетона // Бетон и железобетон.  1972. – № 9. – С. 19–21.
Гольденберг Л.Б., Оганесян С.Л., Макаров В.С. Влияние содержания крупного заполнителя на структуру, прочность и морозостойкость бетонов // Разраб. нов. и усоверш. существующ. технол. процессов, оборуд. и оснастки для отраслей гор. х-ва г. Москвы. – М., 1989. – С. 65–70.
Бердов Г.И., Зырянова В.Н., Ильина Л.В. и др. Межфазное взаимодействие и механическая прочность композиционных вяжущих материалов. Ч. 2. Цементные материалы // Техника и технология силикатов.  2014. – № 4. – С. 2–8.
Волков В.Г., Елшин И.М., Харин А.И. и др. Обогащение и фракционирование природных песков для бетона гидравлическим способом. – М.: Стройиздат, 1964. – 163 c.
Zhang X., Groves G.W., Rodger S.A. The microstructure of cement aggregate interfaces // Bond. Cementitious Compos.: Symp. Boston, Mass., Dec. 2-4, 1987. Pittsburgh (Pa). – 1988. – P. 89–95.  DOI:10.1557/PROC-114-89.
Yanzhou P., Shuguang H., Qingjun D. Dense packing properties of mineral admixtures in cementitious material // Particuology: Sci and Techol. Particles. 2009. – Vol. 7, N 5. – P. 399402. DOI:10.1016/j.partic.2009.06.003.
Ярмаковский В.Н., Школьник Я.Ш. Малоклинкерные вяжущие. Состояние, перспективы и производства и применение в бетонах // Междунар. науч.-практ. конф. «Высокотемпературные материалы и технологии в XXI веке». Москва, 12-13 нояб. 2008. – М.: Изд-во РХТУ, 2008. – С. 554-557.
Yilmaz A., Chengsheng O., Surendra P.Sh. Effect of supplementary cementitious materials on shrinkage and crack development in concrete // Cement and Concrete Composites. – 2007. – Vol. 29, N 2. – P. 117–123. – DOI:10.1016/j.cemconcomp.2006.10.003.
Бабков В.В. [и др.] Механизм упрочнения цементных связок при использовании тонкодисперсных заполнителей // Цемент. – 1991. – № 9–10. – С. 34–41.
Урханова Л.А., Лхасаранов С.А., Бадмаева Э.В. Исследование влияния минеральных добавок на свойства и фазовый состав композиционных вяжущих для сухих строительных смесей // Вестник ВСГУТУ. – 2021. – № 4 (83). – С. 79–84.
Ильина Л.В., Бердов Г.И., Гичко Н.О. Влияние комплексных дисперсных минеральных добавок на прочность цементного камня // Известия вузов. Строительство. 2017. – № 1. – С. 38–44.
Ильина Л.В. Повышение эксплуатационных характеристик материалов на основе цемента длительного хранения: дис. … д-ра техн. наук. Новосибирск: Изд-во НГАСУ, 2011. – 351 с.

Еще

Статья научная