Влияние температурно-влажностной обработки на набор прочности мелкозернистого бетона с добавкой сапонитсодержащего материала
Автор: Морозова М.В.
Журнал: Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал @nanobuild
Рубрика: Технологии производства строительных материалов и изделий
Статья в выпуске: 3 т.16, 2024 года.
Бесплатный доступ
Введение. Для восстановления и развития дорожной сети Соловецких островов могут быть использованы бетонные плиты. В настоящее время для улучшения эксплуатационных характеристик дорожных плит активно внедряются составы с добавками отходов производств, в том числе микро- и наноуровня. Для Архангельской области в качестве такого материала может применятся сапонитсодержащий отход горнодобывающей промышленности. При этом одним из способов ускорения процесса набора прочности композитов является пропаривание. Однако исследования, связанные с влиянием температурно-влажностной обработки на процесс твердения композита с высокодисперсным сапонитсодержащим материалом (ССМ), ранее не был изучен. Известно, что процесс сорбции влаги высокодисперсной добавкой позволяет управлять структурообразованием при твердении бетона, улучшая его эксплуатационные характеристики. Однако в условиях повышенной влажности количественное содержание воды затворения, рассчитанное исходя из величины водопоглощения ССМ, может значительно измениться и оказать влияние на процесс набора прочности композита. Поэтому целью данной работы является изучение влияния температурно-влажностной обработки на набор прочности мелкозернистого бетона с добавкой ССМ. Установлено, что ускоренный метод твердения бетона оказывает только положительный эффект на формирование прочной и плотной структуры. Однако в случае использования в качестве добавки высокодисперсного сапонитсодержащего материала может наблюдаться и обратный эффект (снижение прочности), связанный с сорбционными свойствами и особенностями его структуры. Методы и материалы. Выделенный из оборотной воды ССМ высушивали до постоянной массы и диспергировали на планетарной шаровой мельнице. Размер частиц определяли методом измерения динамического и электрофоретического светорассеяния, а величину удельной поверхности - методом сорбции азота (теория БЭТ). Набор прочности образцов мелкозернистого бетона контрольного и опытного (с добавкой ССМ) составов осуществляли двумя способами: в нормальных условиях и ускоренным методом с помощью пропаривания. Испытания на прочность образцов-кубов размером 70x70x70 мм проводили на автоматическом испытательном прессе по ГОСТ 10180. Исследование микроструктуры образцов осуществляли методом растровой электронной микроскопии. Результаты и обсуждение. Выделенный, высушенный и измельченный сапонитсодержащий материал (в виде порошка) обладал средним размером частиц 445±40 нм и удельной поверхностью 50670±10 м2/кг. В продолжение исследований были изготовлены контрольные (МЗБ) и опытные образцы мелкозернистого бетона (МЗБссм). Количество высокодисперсной добавки вводили в бетонную смесь на основе ранее полученных результатов кинетических исследований процесса водопоглощения сапонитсодержащего материала. Определение прочностных характеристик 1-МЗБ и 1-МЗБссм, твердеющих в нормальных условиях, проводили на 28 сутки. Образцы 2-МЗБ и 2-МЗБссм спустя сутки после затворения водой помещали в пропарочную камеру. По истечении времени выдержки их постепенно охлаждали и определяли прочностные характеристики. Установлено, что ускоренный способ набора прочности мелкозернистого бетона путем пропаривания положительно действует только на контрольные образцы. Для композита с добавкой ССМ температурно-влажностная обработка оказывает противоположное действие. Так, динамика набора прочности 1-МЗБ и 1-МЗБссм имеет однотипный характер. В начальный момент времени наблюдается активный участок набора прочности, но на 7 сутки прочность при сжатии у образцов опытного состава на 40% выше, чем у контрольного. При ускоренном способе твердения в первые два часа (стадия изотермического прогрева) наблюдался активный участок повышения прочности у 2-МЗБ и 2-МЗБссм. Последующее твердение контрольных образцов имеет линейную зависимость с постепенным повышением прочности до проектной за шесть часов. Для 2-МЗБссм спустя два часа пропаривания прочность резко начинает снижаться, а спустя шесть часов - наступает видимое разрушение структуры бетона. Следовательно, продолжительное температурно-влажностное воздействие на бетон с высокодисперсной добавкой ССМ приводит к снижению прочностных характеристик образцов. Вероятнее всего, это связано с перенасыщением влагой структуры композита. Поэтому в продолжение исследований были сделаны электронные фотографии микроструктуры бетона после трехчасового выдерживания в пропарочной камере. Так, микроструктура 2-МЗБссм, в основном, представлена губчатыми частицами, а количество образовавшихся игольчатых (кристаллов тоберморита) значительно уменьшилось по сравнению с контрольным. Наблюдается также значительное образование в опытном образце пустот, которые можно отнести к дефектам структуры полученного композита.
Сапонитсодержащий материал, пропаривание, температурно-влажностная обработка, мелкозернистый бетон, высокодисперсная добавка, набухание, прочность на сжатие
Короткий адрес: https://sciup.org/142241531
IDR: 142241531 | УДК: 691.223.7 | DOI: 10.15828/2075-8545-2024-16-3-227-234
The effect of temperature and humidity treatment on the strength set of fine-grained concrete with the addition of saponite-containing material
Introduction. To restore and develop the Solovetsky Islands road network concrete slabs could be used. Currently, compositions with additives of industrial waste, including micro- and nanoscale, are being actively introduced to improve the performance characteristics of the road slabs. For the Arkhangelsk region, saponite-containing waste from the mining industry could be used as a material. At the same time, one of the ways to accelerate the process of gaining strength of composites is steaming. However, studies related to the effect of temperature and humidity treatment on the hardening process of a composite with a highly dispersed saponite-containing material (SCM) have not been previously studied. It is known that the process of moisture sorption with a finely dispersed additive allows controlling structure formation during concrete hardening, improving its operational characteristics. However, under conditions of high humidity, the quantitative content of tempering water, calculated based on the value of water absorption of the SCM, can significantly change and affect the process of gaining the strength of the composite. Therefore, the purpose of this research is to study the effect of temperature and humidity treatment on the strength gain of fine-grained concrete with the addition of SCM. It has been established that the accelerated method of concrete hardening has only a positive effect on the formation of a strong and dense structure. However, in the case of using highly dispersed saponite-containing material as an additive, the opposite effect (decrease in strength) associated with sorption properties and features of its structure can be observed. Methods and Materials. The SCM recovered from the recycled water was dried to constant weight and dispersed on a planetary ball mill. Particle size was determined by dynamic and electrophoretic light scattering, and specific surface area was determined by nitrogen sorption (BET theory). The strength of samples of fine-grained concrete of the control and experimental (with the addition of SCM) compositions was gained in two ways: under normal conditions and by an accelerated method using steaming. Strength tests of cube samples with dimensions of 70x70x70 mm were carried out on an automatic test press according to GOST 10180. The microstructure of the samples was examined by scanning electron microscopy. Results and Discussion. The separated, dried and ground saponite-containing material (powder) had an average particle size of 445±40 nm and a specific surface area of 50 670±10 m2/kg. In continuation of the studies, control (FGC) and test samples of fine-grained concrete (FGCscm) were made. The amount of a highly dispersed additive was introduced into the concrete mixture based on previously obtained results of kinetic studies of the water absorption process of saponite-containing material. The determination of the strength characteristics of 1-FGC and 1-FGC , hardening under normal conditions, was carried out on day 28. Samples of 2-FGC and 2-FGCscm, a day after sealing with water, were placed in a steaming chamber. After the expiration of the holding time, they were gradually cooled and their strength characteristics were determined. It has been established that the accelerated method of gaining strength of finegrained concrete, by steaming, has a positive effect only on control samples. For a composite with the addition of SCM, temperature and humidity treatment has the opposite effect. Thus, the dynamics of strength gain of 1-FGC and 1-FGCscm are of the same type. At the initial moment of time, an active site of strength gain is observed, but on day 7, the compressive strength of the samples of the experimental composition is 40% higher than that of the control one. At the accelerated curing method in the first two hours (isothermal heating stage), an active strength increase was observed in 2-FGC and 2-FGCscm. The subsequent curing of the control specimens has a linear dependence with a gradual increase in strength to the design strength in six hours. For 2-FGCscm, after two hours of steaming, the strength sharply begins to decrease, and after six hours - visible destruction of the concrete structure occurs. Consequently, prolonged temperature and humidity exposure of concrete with highly dispersed SSM admixture leads to a decrease in the strength characteristics of the specimens. Most likely, it is connected with moisture oversaturation of the composite structure. Therefore, in continuation of the research, electronic photographs were taken of the microstructure of concrete after three hours of holding in the steaming chamber. Thus, the microstructure of 2-FGCscm is mainly represented by spongy particles, and the number of formed needle-like (tobermorite crystals) - decreased significantly, compared to the control.
Список литературы Влияние температурно-влажностной обработки на набор прочности мелкозернистого бетона с добавкой сапонитсодержащего материала
- Мазилова Е.А. Развитие арктического туризма на примере Cоловецкого архипелага // В сборнике: Русский Север и Арктика: фундаментальные проблемы истории и современности. Сборник научных статей. Составитель О.В. Зарецкая. Архангельск. 2019. 55-61
- Грушенко Э.Б. Развитие индустрии туризма на Соловецких островах // Наука-2020. 2016. № 5 (11)
- Цветков А.Ю. Стратегия рекреационно-инфраструктурного развития Соловецких островов // Экономика и предпринимательство. 2018. № 2 (91). 282-286
- Зиневич С.И., Каюмов А.К. Плиты для сборных дорожных покрытий с наименьшим «клавишным» эффектом // Наука и техника. 2022. Т. 21. № 3. 196-200
- Трофимов В.И., Егоров А.Р., Хитрич Г.А. Сборные дорожные плиты для арктических зон // Научный вестник Арктики. 2022. № 12. 51-56
- Шарифов А., Акрамов А.А., Умаров У.Х., Хокиев М.К., Ахмедов М.Ф. Эффекты микронаполняющих минеральных добавок в бетоне // Политехнический вестник. Серия: Инженерные исследования. 2020. № 1 (49). 150-154
- Poorna P.S., Mohamed I.A., Lakshmi P.S., Gayathri G., Beulah M., Sudhir M.R. A comprehensive investigation of the effect of mineral additives to bituminous concrete. Materials Today: Proceedings. 2021; 46(1): 714-721. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.12.090
- Zhen H., Lingling H., Yang L., Jun H., Yixin S. Use of sandstone powder as a mineral additive for concrete. Construction and Building Materials. 2018; 186: 276-286. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.06.228
- Xianfeng W., Shaocong C., Zhenhong Y., Jun R., Xiaogang Z., Feng X. Self-healing concrete incorporating mineral additives and encapsulated lightweight aggregates: Preparation and application. Construction and Building Materials, 2021; 301: 124119. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.124119
- Королев Е.В., Гришина А.Н., Иноземцев А.С., Айзенштадт А.М. Исследование кинетики структурообразования цементных дисперсных систем. Часть I // Нанотехнологии в строительстве. 2022. Т. 14. № 3. 176–189. https:// doi.org/10.15828/2075-8545-2022-14-3-176-189
- Королев Е.В., Гришина А.Н., Иноземцев А.С., Айзенштадт А. М. Исследование кинетики структурообразования цементных дисперсных систем. Часть II // Нанотехнологии в строительстве. 2022. Т. 14. № 4. 263–273. https://doi. org/10.15828/2075-8545-2022-14-4-263-273
- Коровкин М.О., Короткова А.А., Ерошкина Н.А. Эффективность комплексной минеральной добавки в мелкозернистом самоуплотняющемся бетоне // Региональная архитектура и строительство. 2021. № 3 (48). 114-122
- Пичугин А.П., Чесноков Р.А., Тамарова В.С., Пивкина А.Д. Укрепление дорожных грунтовых оснований минеральными вяжущими с дисперсными добавками // Дальний Восток: проблемы развития архитектурно-строительного комплекса. 2021. № 1. 178-183.
- Gaowen Z., Zhen Z., Guanzhou R., Tao W., Peng J., Shijun D., Mei S., Henghui F. Utilization of recycled concrete powder in modification of the dispersive soil: A potential way to improve the engineering properties. Construction and Building Materials. 2023; 389: 131626. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.131626
- Морозова М.В., Айзенштадт А.М., Махова Т.А. Применение сапонит-содержащего материала для получения морозостойких бетонов // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 1. 28-31.
- Lesovik V., Ayzenshtadt A., Frolova M., Lesovik R., Strokova V. «Green» Composites for North-Arctic Region Development // The Open Ecology Journal. 2014; 7: 32-36.
- Глезер А.М. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходство, различия, взаимные переходы // Российский химический журнал. 2002. Т.46. № 5. 57–63
- Пшембаев М.К., Ковалев Я.Н., Яглов В.Н. Особенности процессов гидратации и твердения цемента в присутствии наночастиц // Вестник Восточно-Казахстанского государственного технического университета им. Д. Серикбаева. 2020. № 1. 175-184
- Морозова М.В. Сорбция водной фазы минеральной сапонит-содержащей добавкой в мелкозернистые бетоны // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2018. № 4. 20-25
- Mingxu C., Lingchao L., Shoude W., Piqi Z., Wenlong Z., Shuxin Z. Investigation on the formation of tobermorite in calcium silicate board and its influence factors under autoclaved curing. Construction and Building Materials. 2017; 280-288.
- Oh J.E., Clark S.M., Wenk H.R. Experimental determination of bulk modulus of 14 Å tobermorite using high pressure synchrotron X-ray diffraction. Cement and Concrete Research. 2012; 42(2): 397-403.
- Tikkanen J., Cwirzen A., Penttala V. Effects of mineral powders on hydration process and hydration products in normal strength concrete. Construction and Building Materials. 2014; 72: 7-14.
- Meducin F., Zanni H., Noik C. Tricalcium silicate (C3S) hydration under high pressure at ambient and high temperature. Cement and Concrete Research. 2008; 38(3): 320-324.
- Кафтаева М.В., Рахимбаев И.Ш. К вопросу о фазовом составе гидросиликатного связующего автоклавного газобетона // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2013. № 10 (3). 370-372
- Галицков К.С., Баранова М.Н., Болховецкий А.С. Исследование влияния структурно-фазового состава ячеистого бетона на внутреннее тепловыделение в процессе его автоклавной обработки // Градостроительство и архитектура. 2023. Т. 13. № 51. 73-78