Повышение прочности тяжелого бетона при использовании дисперсных минеральных добавок

Ильина Л.В.; Бердов Г.И.; Гичко Н.О.; Ilyina L.V.; Berdov G.I.; Gichko N.O.

doi:10.53980/24131997_2023_1_66

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 | УДК: 691.32:666.9 | DOI: 10.53980/24131997_2023_1_66

Increasing the strength of heavy concrete with use of dispersed mineral additives

The use of dispersed mineral additives makes it possible to increase the strength of heavy concrete both during hardening using heat and moisture treatment, and during hardening under normal conditions. The greatest influence on the compressive strength of concrete is exerted by the addition of diopside in the amount of 9 wt. %, increasing this figure by 29 %. The optimal dosage of limestone flour is 2 wt. %. When using a complex additive with a ratio of limestone:diopside equal to 1:2 in the amount of 7 wt. % achieved compressive strength at 28 days of age 28,6 MPa. The increase in strength in this case is 40,9 %. Replacing 30-35 % of diopside with limestone flour in the composition of the complex additive will reduce the energy consumption of obtaining the additive.

Еще

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