Высокопрочные мелкозернистые бетоны на основе природного и техногенного сырья
Автор: Балыков А.С., Володин В.В., Каштанов А.А., Каштанова Е.А., Коровкин Д.И., Низина Т.А.
Журнал: Огарёв-online @ogarev-online
Статья в выпуске: 11 т.5, 2017 года.
Бесплатный доступ
В статье показана возможность применения природных и техногенных песков в рецептуре модифицированных мелкозернистых бетонов повышенной прочности. Разработаны составы высокопрочных мелкозернистых бетонов классов В60-В90, включающие строго подобранные компоненты бетонной смеси, в числе которых вяжущие, заполнители, а также целевые высококачественные добавки.
Высокопрочный мелкозернистый бетон, техногенный и природный заполнитель, физико-механические характеристики
Короткий адрес: https://sciup.org/147249348
IDR: 147249348
Текст научной статьи Высокопрочные мелкозернистые бетоны на основе природного и техногенного сырья
Современные высококачественные цементные композиты характеризуются улучшенной технологичностью и удобоукладываемостью, высокой прочностью при сжатии, стабильностью объема и долговечностью [1–3].
Одним из приоритетных направлений мирового бетоноведения является использование высокопрочных и ультравысокопрочных цементных бетонов, так называемых High-Strength Concretes (HSC) и Ultra High-Strength Concretes (UHSC). За последние 25 лет созданы бетоны нового поколения с прочностью при сжатии 150-200 МПа и более, которые возможно производить на современных бетонных заводах в промышленных масштабах [4]. Применение композитов такой прочности позволяет значительно уменьшить геометрические размеры сечений сжатых и изгибаемых элементов несущих конструкций, существенно снижая при этом их объем и массу и, как следствие, расход бетона и стальной арматуры [5].
Однако на данный момент не существует четкой классификации такого рода бетонов. Согласно российским нормативным документам, в частности новому ГОСТ 31914-2015, к высокопрочным бетонам могут быть отнесены тяжелые и мелкозернистые цементные композиты класса по прочности при сжатии В60 и выше.
Многими авторами, в частности [1; 2; 4–12], отмечается тенденция к расширению применения мелкозернистого бетона в строительных конструкциях. Этот вид бетона имеет целый ряд заметных преимуществ, среди которых: высококачественная структура и высокая технологичность при правильно подобранной рецептуре; простота изготовления изделий как методом прессования, так и методом литья; возможность широкого применения сухих смесей с гарантией высокого качества и эффективного модифицирования композитов широким спектром органоминеральных добавок, обеспечивающих получение материалов с различными комплексами свойств [13; 14]; снижение стоимости бетона (до 15–25%) за счет использования дешевых местных песков по сравнению с бетоном на крупном заполнителе; возможность получения тонкостенных и слоистых конструкций, декоративных бетонов и фибробетонов, а также материалов и изделий переменной плотности, в частности фильтрующих, и целый ряд других достоинств.
Помимо природных местных песков, нужно отметить важность использования и техногенных заполнителей в рецептуре мелкозернистых бетонов. Актуальность и перспективность данного направления в бетоноведении обусловлены необходимостью и возможностью расширения сырьевой базы перспективного вида бетона при возрастающем дефиците природного заполнителя и накоплении многотоннажных зернистых промышленных отходов, например, при литейном производстве. Высокая степень использования песков-отходов способствует экономии энерго-сырьевых ресурсов, развитию экономических и технологических решений по их утилизации, а тем самым и улучшению экологической обстановки в регионах.
Необходимо отметить, что в большинстве литературных источников по созданию высокопрочных бетонов указывается на необходимость обеспечения активности цемента на уровне 45-50 МПа и выше (в основном бездобавочного или с минимальным содержанием добавок ЦЕМ I) для изготовления бетонов прочностью на сжатие 120-150 МПа и более [1]. Однако данных о применении низкомарочных и рядовых портландцементов марок М300 и М400 с активностью 25-40 МПа в рецептуре получения бетонов повышенной прочности резко ограничено. На наш взгляд, необходимо использовать возможность получения составов бетонов повышенной прочности с применением всей номенклатуры выпускаемых промышленностью портландцементов, позволяющую сделать оптимальный выбор активности цемента для высококачественных бетонов нового поколения различной прочности в зависимости от требуемых условий (характера работы материала, оптимального расхода вяжущего, требований по экзотермии, воздействий на изделие внешней среды и др.) по аналогии со СНиП 82-02-95, применяемого для рядовых бетонов.
В данном экспериментальном исследовании оценивалась возможность получения высокопрочных мелкозернистых бетонов с применением рядовых портландцементов, природных песков Республики Мордовия и других регионов, а также песков-отходов литейного производства предприятия ООО «ВКМ Сталь» Республики Мордовия.
Мелкие заполнители, используемые в экспериментальном исследовании: П1 – формовочный песок-отход литейного производства ООО «ВКМ Сталь» фракции 0,3 мм (природное месторождение – карьер Ульяновской области ООО «Ташлинский ГОК»); П2 – чистый формовочный песок фракции 0,1 мм (Бурцевское месторождение Нижегородской области) и его обожженный отход (П3), образующийся при применении данного песка на производстве ООО «ВКМ Сталь»; П4 и П5 – природные кварцевые пески Новостепановского карьера (Республика Мордовия, Ичалковский район, п. Смольный) фракций 0,16-0,63 мм и 0,63-5 мм соответственно.
В качестве вяжущего применялся портландцемент ЦЕМ I 32,5Б (Ц1) производства ПАО «Мордовцемент» и портландцемент ЦЕМ I 42,5Б (Ц2) производства ПАО «Сенгилеевский цементный завод» (Ульяновская область). Для увеличения доли тонкодисперсных компонентов вяжущего в состав бетонной смеси вводился микрокальцит КМ-100 (МКМ) в количестве 45–75% от массы портландцемента.
В качестве активных минеральных добавок использовались микрокремнезем конденсированный неуплотненный МК-85 (МК) и уплотненный (МКУ), а также высокоактивный метакаолин белый (ВМК).
Для обеспечения водоредуцирующего и пластифицирующего эффектов применялся высококачественный суперпластификатор Melflux двух модификаций – 1641 F (MF1) и 5581 F (MF2), вводимый в количестве 0,9–1% от массы портландцемента.
Бетонные смеси изготавливались подвижными, большинство составов имели консистенцию от литых до самоуплотнящихся. В ходе эксперимента исследовались следующие характеристики: прочность при сжатии (ГОСТ 310.4) и на растяжение при изгибе (ГОСТ 310.4) в возрасте 28 суток.
Составы мелкозернистых бетонов и результаты их испытаний представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
№ состава |
Ц1 , кг |
Ц2, кг |
Содержание модификатора, % от массы портландцемента |
Содержание песка, % от массы портландцемента |
В/Ц |
||||||
МК |
МКУ |
ВМК |
П1 |
П2 |
П3 |
П4 |
П5 |
||||
1 |
394 |
0 |
0 |
10 |
0 |
0 |
0 |
0 |
144 |
244 |
0.58 |
2 |
0 |
722 |
0 |
0 |
10 |
0 |
0 |
0 |
145 |
0 |
0.37 |
3 |
722 |
0 |
0 |
0 |
10 |
0 |
0 |
145 |
0 |
0 |
0.51 |
4 |
722 |
0 |
0 |
0 |
10 |
0 |
145 |
0 |
0 |
0 |
0.47 |
5 |
0 |
722 |
10 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
145 |
0 |
0.34 |
6 |
722 |
0 |
0 |
0 |
10 |
145 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0.33 |
7 |
0 |
750 |
0 |
0 |
0 |
145 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0.29 |
8 |
0 |
500 |
0 |
0 |
10 |
0 |
0 |
0 |
260 |
0 |
0.45 |
9 |
0 |
500 |
10 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
260 |
0 |
0.43 |
Таблица 2
№ состава |
Предел прочности на растяжение при изгибе, МПа |
Предел прочности при сжатии, МПа |
1 |
5.7 |
51.2 |
2 |
10.5 |
110.3 |
3 |
6.5 |
56.1 |
4 |
9 |
66.8 |
5 |
14.4 |
104.0 |
6 |
11.1 |
94.9 |
7 |
9.2 |
98.6 |
8 |
6.9 |
82.4 |
9 |
8 |
86.5 |
Составы высокопрочных мелкозернистых бетонов (содержание цемента в кг на 1 м3 бетонной смеси)
Прочностные свойства композитов в возрасте 28 суток
Наибольшие значения прочностных характеристик в возрасте 28 суток зафиксированы у составов №2 и 5: соответственно 10,5 и 14,4 МПа – на растяжение при изгибе, 110,3 и 104,0 МПа – при сжатии. Данные составы получены на Сенгилеевском портландцементе с применением ВМК, МК и Ичалковского природного кварцевого песка фракцией 0,16-0,63 мм. Из составов на Мордовском портландцементе следует отметить состав с ВМК (№ 6) с прочностными показателями 11,1 и 94,9 МПа на растяжение при изгибе и при сжатии соответственно.
Среди остальных составов стоит выделить состав №1 со средней прочностью при сжатии 51 МПа при расходе портландцемента 394 кг/м3 бетонной смеси, а также составы №8 и 9 со средним расходом вяжущего 500 кг на 1 м3 бетонной смеси, имеющими высокую прочность при сжатии – 82 и 87 МПа соответственно.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований были разработаны составы высокопрочных мелкозернистых бетонов классов В60-В90, включающие заполнители как природного, так и техногенного происхождений, а также целевые высококачественные добавки.