ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА НА ОСНОВЕ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА С ГИБРИДНЫМИ ДОБАВКАМИ ИЗ СМЕСИ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА И АКТИВИРОВАННЫЕ ЗОЛОШЛАКА

АННОТАЦИЯ

В данной статье определялись результаты с использованием метода испытаний образцов тяжелых бетонов ГОСТ 10180-2012 содержащих портландцементы с 25%, 45% гибридными добавками показатели прочности через 28 суток образца №2 360 кг/см2, образца №3 339 кг/см2 по к классу В25, В22.5 Полученным после 25 циклов замораживания и оттаивания образцов бетона характеризуется уровень морозостойкости F1 25 по показателям прочности.

ABSTRACT

In this article using the method of testing samples of heavy concrete interstate standard 10180-2012 containing Portland cement with 25%, 45% hybrid additives strength values after 28 days sample number 2 360 kg/cm2, sample number 3 339 kg/cm2 to class B25, B22.5 determined the results. Obtained after 25 cycles of freezing and thawing concrete samples are characterised by the level of frost resistance F1 25 by strength indices

Ключевые слова: Кремнеземистые гибридные добавки, активированные золошлак, микрокремнезем, цемент, бетон, прочность, физико-механические свойства, морозостойкость.

Keywords: Silica hybrid additives, activated ash and slag, microsilica, cement, concrete, strength, physical and mechanical properties, frost resistance.

Введение. Принятые в республике меры по реализации программ жилищного строительства привели к увеличению спроса на все виды строительных материалов, в первую очередь цемент и материалы, используемые для него. Гибридные добавки, активированные золошлак (АЗШ) с микрокремнезем (МК), являются перспективным направлением разработки новых материалов для строительной индустрии и других отраслей промышленности. Использование золы и шлака от сжигания угля или другого ископаемого топлива в качестве дополнительного активатора на теплоэлектростанциях позволяет не только перерабатывать отходы, но и производить экологически чистые материалы с улучшенными свойствами.

Способность бетонного изделия, не разрушаясь сопротивляться внешним силам, определяет прочность бетона. Ее величина определяется испытанием на сжатие образцов определенного размера, которых для полного затвердения выдерживают при номинальной температуре в течение 28 суток [1. –С. 49-55]. Прочность бетона зависит в основном от активности цемента и водоцементного отношения степени уплотнения, качества заполнителей и условий твердения. Незначительно изменение указанных факторов и выдержанной пропорции бетонной смеси влечет значительную потерю прочности бетона. Поэтому каждый раз, когда состав цемента изменяется введением каких-нибудь добавок, необходимо рассмотреть их влияние на показатели бетона.

Кремнеземистые добавки, в частности микрокремнезем, пластифицируют цементное тесто, в связи с чем, могут изменяться и условия приготовления бетона из него [2]. В связи с этим, при их применении для изготовления бетона, необходимо проводить исследования по подбору состава бетонной смеси

Общестроительные портландцементы с добавками (ЦЕМ II- ЦЕМ IV), изготовляемые по ГОСТ 31108-2020, включают различные виды минеральных добавок. Главным условием для применения таких портландцементов является обеспечение долговечности бетона на их основе, так как в процессе эксплуатации цементные растворы и бетоны подвергаются различного рода воздействиям окружающей среды.

Наиболее важными показателями долговечности цементных композиций и бетонов являются их устойчивость к карбонизации, к действию минеральных солей, антиобледенению, а также к различным температурным воздействиям окружающей среды. Поэтому при использовании любого нового вида цемента в качестве вяжущего, необходимо изучить поведение и оценить возможные изменения его механической прочности под действием определенных климатических и агрессивных факторов.

Одними из основных методов испытания цемента, связанных с определением его стойкости являются атмосферостойкость и морозостойкость. Авторы работ [3. –С 22; 4. –С 157; 5. –С 160; 6. –С 18, 7. –С 168] отмечают, что МК характеризуется высокой дисперсностью, поглощает большое количество воды, чем исходный ПЦ400-Д0, так как средний размер частиц МК составляет порядка 1 мкм, что более 6 раз меньше среднего размера частиц портландцемента и обеспечивает равномерное распределение по объему цементного раствора в бетонной смеси и способствует более быстрой и эффективной реакции, рассеиваясь по всему объему бетона. Тысячи сферических активных микрочастиц МК окружают каждое зерно цемента, уплотняя цементный раствор, заполняя пустоты бетонной смеси прочными продуктами гидратации и улучшая их сцепление с заполнителями.

По данным [8. –С 220], портландцементы модифицированные кремнеземистыми добавками демонстрируют высокую степень долговечности, показатели которой сопоставимы с обычными портландцементами. Следовательно, существующие способы изготовления и применения бетонов без изменений могут быть распространены на композиционные портландцементы.

Большое значение при использовании исследуемых портландцементов в качестве вяжущего для изготовления бетонов, которые в процессе эксплуатации подвергаются различного рода воздействиям окружающей среды (попеременному замораживанию и оттаиванию, высыханию и увлажнению, и др.), является необходимость проводить испытания по оценке изменения их механической прочности  под действием определенных агрессивных факторов. Стойкость цементов к различному роду воздействиям в значительной мере определяют долговечность изготовленных из них бетонов. Одними из основных методов испытаний, связанных с определением стойкости, являются морозостойкость и атмосферостойкость.

Методы исследования

При проведении исследований применены стандартные методы физико-механических испытаний в соответствии с требованиями следующих нормативных документов: соответствующего требованиям ГОСТ 31108-2020; ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия»; ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия»; ГОСТ 27006- 2015 «Бетоны. Правила подбора состава»; ГОСТ 10060- 2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости»; ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Метод определения прочности по контрольным образцам».

Результаты и их обсуждение

Изучение стойкости опытных портландцементов с добавками микрокремнезема, активированные золошлак ПЦ400-Д25(АЗШС+МК); ПЦ400-Д45(АЗШС+МК) к различному воздействию окружающей среды осуществляли на стандартных образцах (70×70×70) mm, изготовленных из бетона класса по прочности при сжатии В 15 (М200).

Оптимальный состав бетонной смеси подвижностью (1-4) сm для бетона класса по прочности на сжатие В15 (М200), подбирали по ГОСТ 27006- 2015 «Бетоны. Правила подбора состава».

В качестве крупного заполнителя применяли щебень из гравия смеси фракций от 5 до 20 mm, соответствующего требованиям ГОСТ 8267-93 «Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия».

В качестве мелкого заполнителя использовали песок Майского месторождения, по показателям качества соответствующего требованиям ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия», характеризующегося группой песка «Крупный» со значением модуля крупности М_к = 2,80.

Оптимальные составы бетонных смесей на основе опытных портландцементов с добавками ПЦ-Д25 (АЗШС+МК), ПЦ–Д45 (АЗШС+МК) и для сравнения – на бездобавочном портландцементе ПЦ400-Д0, приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Характеристики бетонных смесей оптимальных составов

В соответствии с данными табл. 1, для приготовления 1м3 бетонной смеси, при использовании вяжущих ПЦ400-Д25 (АЗШ+МК), ПЦ400-Д45 (АЗШ+МК) расход портландцемента ПЦ400-Д0 уменьшается на 77 и 138 kg.

Исследования долговечности цементов с гибридными добавками МК и АЗШ, осуществляли на образцах-кубах размером (70×70×70)mm, изготовленных из бетонных смесей оптимальных составов, приведенных в таблице 1.

Морозостойкость бетонов определяли по первому базовому методу F₁, в соответствии с ГОСТ 10060- 2012 «Бетоны. Методы определения морозостойкости».

Для изучения морозостойкости исследуемых бетонов была изготовлена серия образцов кубов размером (70×70×70) mm в количестве по 15 шт: 3 образца для определения марочной прочности бетона в возрасте 28 суток и 12 образцов для испытания на морозостойкость (6-контрольных и 6-основных).

Испытание образцов бетона на морозостойкость начинали через 28 суток их нормального твердения при t= (20±2)^о С и W= (95±5) %, предварительно определив их прочностные показатели по ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Метод определения прочности по контрольным образцам».      

Перед началом испытаний контрольные и основные образцы насыщали водой и насыщенные контрольные образцы  испытывали на сжатие. Насыщенные водой основные образцы, подвергали цикличному замораживанию и оттаиванию.

Характеристики образцов из бетона составов ПЦ400-Д0, ПЦ400-Д25 (АЗШ+МК), ПЦ400-Д45 (АЗШ+МК) и предел прочности при сжатии в возрасте 28 суток и насыщенном водой состоянии приведены в таблице 2.

Таблица 2

Основные характеристики бетонных образцов через 28 суток нормального твердения

Сравнительными испытаниями бетонов на бездобавочном цементе ПЦ400-Д0 и бетонов, изготовленных с применением цементов с гибридными добавками МК+АЗШ получены бетоны класса B25 (М300) и В22,5 (М275), прочность на сжатие которых соответственно составила 233, 342, 319 kg/cm².

Расход сырьевых материалов на приготовление 1m³ бетона с применением исследуемых цементов с минеральными добавками, практически одинаков. Для получения бетона класса по прочности на сжатие В25 (М300) и В22,5 (М275) расход вяжущих составил 307kg/m³.

Однако, при равном расходе вяжущих, содержание портландцемента ПЦ400-Д0 в бетонах с использованием минеральных добавок составило 230, 169 kg/m³ . Таким образом, при производстве портландцементов введение до 25%, 45% кремнеземистых добавок (МК и АЗШ), выгодно в целях экономии дорогостоящего клинкера.

Результаты испытаний основных образцов после 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания приведены в таблице 3.

Таблица 3

Прочность контрольных и основных образцов бетона

Проведение испытаний контрольных и основных образцов бетона и оработку результатов после 25-ти циклов замораживания и оттаивания осуществляли по методике ГОСТ 10060-2012 (п.5.2.4.2) c определением характеристик бетона:

-Хср^I- средняя прочность контрольных образцов;

-Хср^II- средняя прочность основных образцов;

-Хmin^I- нижняя граница доверительного интервала прочности контрольных образцов;

-Хmin^II- нижняя граница доверительного интервала прочности основных образцов;

-σ_n^I среднеквадратическое отклонение контрольных образцов;

-σ_n^II среднеквадратическое отклонение основных образцов;

-Vm –коэффициент вариации прочности.

Результаты сравнительных испытаний образцов бетона на опытных цементах с гибридными добавками приведены в таблице 4.

Таблица 4

Результаты испытаний бетонов на морозостойкость

Согласно ГОСТ 10060-2012, п.5.2.4, образцы считают выдержавшим испытание на морозостойкость, если соблюдается соотношение:

Хmin^II> или = 0,9 Хmin^I

В соответствии с данными таблицы 4, значения нижних границ доверительного интервала прочности основных образцов исследуемых бетонов выше нижних границ доверительного интервала прочности контрольных образцов и составляют:

- для образцов бетона из ПЦ-Д0: 24,1 > 20,6

- для образцов бетона из ПЦ400-Д25 МК+АЗШ: 24,0 > 20,7

- для образцов бетона из ПЦ400-Д45 МК+АЗШ: 22,5 > 19,3

По полученным результатам испытаний (см. табл. 4) бетоны оптимальных составов с использованием цементов с 25%, 45% гибридными добавками МК и АЗШ, выдержали 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания без снижения прочностных показателей и характеризуются маркой по морозостойкости F₁25.

Следовательно, замена части клинкера 25%, 45% в ПЦ, обеспечивает получение добавочных и портландцементов, характеризующихся такой же морозостойкостью, как у эталона.

Заключения: Кремнеземистые гибридные добавки, представляющие собой тонкодисперсный материал, очень мелкие часицы которого равномерно рассредоточиваются в бетонной смеси, эффективно заполняя пустоты между цементами продуктами гидратации, уплотняя цементный раствор, и улучшая сцепление с заполнителями. Микрозаполнитель позволит увеличить плотность смеси, из-за более плотного заполнения пустот между песчинками бетона. Вследствие малости пустот такого бетона, поверхность изделия будет гладкой, не содержащей крупных пор и отверстий.

Список литературы:

1. Политаева А.И., Елисеева Н.И., Яковлев Г.И. и др. Роль микрокремнезема в структурообразовании цементной матрицы и формировании высолов в вибропрессованных изделиях // Строительные материалы. – 2015. -№ 2. – С. 49-55.
2. Брыков А.С. Влияние микрокремнезема в уплотненной и  суспендированной формах на гидратацию портландцемента и свойства портландцементных композиций //Ж. Высокопрочный бетон. № 3. –М. 2010. /file:///c:/usersuser/Descop/микрокремнезем%20подробно.рdf.
3. Эмралиева С.А. Ультрадисперсные пуццолановые добавки для гидроизоляционных растворов //Авт. дисс…канд. техн. наук. –Челябинск. 2009. -22 с.
4. Формирование и генезис микроструктуры цементного камня //Под ред. Л.Г.Шпыновой. –Львов: «Вища школа». Изд-во при Львовском ун-те. 1975. – 157 с.
5. Физико-химические основы формирования структуры цементного камня //Под ред. Л.Г.Шпыновой. –Львов: «Вища школа». Изд-во при Львовском ун-те. 1981. – 160 с.
6. Токарев Ю.В., Яковлев Г.И., Первушин Г.Н. и др. Роль ультрадисперсных добавок в процессах гидратации //Строительные материалы, оборудовании, технологии XXI века. – 2009. – №5(124). – С.18.
7. Пащенко А.А. Теория цемента / Пащенко А.А., Мясникова Е.А., Гумен В.С., Салдугей М.М., Саницкий М.А. и др. – К. : Будiвельник, 1991. -168 с.
8. Ратинов В.Б., Иванов Ф.М. Химия в строительстве. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. –М. : Стройиздат, 1977. – 220 с.