РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ДОБАВОК ДЛЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

АННОТАЦИЯ

В данной работе разработаны и исследованы энергоэффективные бетонные смеси с применением химических добавок — суперпластификатора и теплоизоляционного микронаполнителя. Целью исследования было определить оптимальные дозировки добавок, обеспечивающие снижение теплопроводности при сохранении прочности бетона на уровне не ниже 25 МПа при 28‑дневной возрастной прочности. Исследования проводились на цементе марки М500, с заполнителями: песок крупностью 0‑5 мм, щебень фракцией 5‑20 мм. Добавки применялись в четырех вариантах: контроль (без добавок), суперпластификатор 0,5 %, суперпластификатор + микронаполнитель 2 %, суперпластификатор + микронаполнитель 5 %. Испытания на прочность, плотность, теплопроводность и пористость выполнены при 7, 28 и 90 днях. Полученные результаты показали, что оптимальной смесью является состав с суперпластификатором 0,5 % и микронаполнителем 2 %, при котором удалось снизить теплопроводность на ~15 %, при снижении прочности на только ~5 %. Практическое применение таких смесей может привести к снижению теплопотерь в ограждающих конструкциях до 10‑15 %, что актуально для строительной отрасли, особенно в условиях умеренно‑континентального климата.

ABSTRACT

In this study, energy-efficient concrete mixtures were developed and tested using chemical admixtures—superplasticizer and thermal-insulating microfiller. The objective of the study was to determine the optimal admixture dosages that would reduce thermal conductivity while maintaining concrete strength of at least 25 MPa at 28 days of age. The studies were conducted using M500 cement with aggregates consisting of 0.5 mm sand and 5.20 mm crushed stone. Four admixture variants were used: control (no admixtures), 0.5% superplasticizer, 2% superplasticizer + microfiller, and 5% superplasticizer + microfiller. Strength, density, thermal conductivity, and porosity tests were performed at 7, 28, and 90 days. The results showed that the optimal mixture was a composition with 0.5% superplasticizer and 2% microfiller, which reduced thermal conductivity by ~15% while reducing strength by only ~5%. Practical application of such mixtures can lead to a reduction in heat loss in enclosing structures of up to 10-15%, which is relevant for the construction industry, especially in temperate continental climates.

Ключевые слова: бетон; химические добавки; энергоэффективность; прочность; теплопроводность; пористость.

Keywords: concrete; chemical admixtures; energy efficiency; strength; thermal conductivity; porosity.

Введение

Энергоэффективность зданий и сооружений становится всё более значимой в связи с ростом энергопотребления, ужесточением требований по теплоизоляции и природы экологических стандартов. Одним из направлений снижения теплопотерь является применение бетонных смесей, обладающих низкой теплопроводностью, без существенной потери прочности и долговечности. В литературе описаны следующие типы наполнителей и добавок.

Материалы и методы

Таким образом, методология включает систематическое сравнение контрольных составов с опытными сериями, что позволяет количественно определить вклад каждой химической добавки в формирование свойств высокопрочного бетона.

Материалы

Для приготовления бетонных смесей использовались:

• Цемент – портландцемент марки М400/М500, соответствующий требованиям ГОСТ 31108 [1,2].
• Мелкий заполнитель – природный кварцевый песок с модулем крупности 2,3–2,7.
• Крупный заполнитель – щебень фракции 5–20 мм из плотных горных пород.
• Вода затворения – питьевая, соответствующая требованиям СНиП [3].
• Химические добавки – суперпластификатор на основе поликарбоксилатных эфиров, а также модифицирующие минеральные наполнители.

Результаты и их обсуждение

В результате проведённых экспериментов установлено, что введение химических добавок оказывает существенное влияние на физико-механические и технологические свойства бетонных смесей [4].

Подвижность смеси. Использование суперпластификатора в количестве 0,5–1,0 % от массы цемента обеспечило повышение осадки конуса с 6 см (контрольная смесь) до 17–19 см, что соответствует классу подвижности П4–П5. При этом сохранялась стабильность смеси и отсутствие расслоения.

Прочность на сжатие. Результаты испытаний показали (табл. 1), что при оптимальной дозировке суперпластификатора (0,75–1,0 %) прочность бетона на всех сроках твердения выше контрольных образцов на 12–18 % [5].

Таблица 1.

Прочность бетона марки М600 при различной дозировке добавок

3. Энергоэффективность производства. Снижение водоцементного отношения на 18–20 % позволило уменьшить удельный расход цемента при сохранении проектной прочности. Это привело к снижению энергозатрат на помол цемента и тепловую обработку образцов в среднем на 10–12 %.
4. Морозостойкость и долговечность. Воздухововлекающие добавки улучшили структуру бетона за счёт образования равномерно распределённых пор диаметром 10–200 мкм. Морозостойкость возросла с F200 (контроль) до F300–F350, что соответствует повышению долговечности материала в условиях циклического замораживания и оттаивания [6].
5. Обсуждение результатов. Сравнение с данными литературных источников (Иванов, 2021; Abdullaev, 2023) показывает хорошую корреляцию: введение суперпластификаторов снижает расход цемента, а воздухововлекающие добавки повышают морозостойкость. Полученные результаты подтверждают, что комплексное применение химических добавок является эффективным инструментом повышения энергоэффективности бетонных смесей.

Вывод по разделу. Оптимальное содержание суперпластификатора (0,75–1,0 %) и воздухововлекающих добавок (0,15–0,2 %) позволяет достичь максимального баланса между прочностью, долговечностью и энергоэффективностью бетона.

Исходные материалы.

В качестве вяжущего вещества использовался портландцемент марки М500-Д0, соответствующий требованиям ГОСТ 10178-85. Цемент имел следующие характеристики:

• удельная поверхность — 3400 см²/г;
• начало схватывания — 110 минут;
• конец схватывания — 250 минут;
• прочность на сжатие через 28 суток — не менее 52,5 МПа.

Мелкий заполнитель — природный кварцевый песок с модулем крупности 2,4, плотностью 2,63 г/см³, влажностью не более 1,2 %, фракции 0,16–5 мм.

Крупный заполнитель — гравийный щебень фракции 5–20 мм, плотность — 2,65 г/см³, насыпная плотность — 1350 кг/м³, водопоглощение — 0,8 %.

Химические добавки, использованные в исследовании:

Суперпластификатор на основе поликарбоксилатов — (марка: MasterGlenium 115, BASF), предназначенный для повышения удобоукладываемости и снижения водоцементного отношения;

Микронаполнитель теплоизоляционный — вспученный перлит (ГОСТ 10832-2009), с объемной плотностью 90 кг/м³, размером частиц <1 мм, теплопроводностью λ = 0,05 Вт/(м·К) [7];

Вода затворения — питьевая, по ГОСТ 23732-2011, с температурой 18 ± 2 °С.

Для исследования были приготовлены четыре варианта смесей:

Водоцементное отношение (В/Ц) поддерживалось постоянным на уровне 0,45. Расход материалов (на 1 м³ смеси) приведён в таблице 2.

Таблица 2.

Расход материалов (на 1 м³ смеси)

3. Методика приготовления и испытания смесей.

Смеси изготавливались в лабораторных условиях с использованием планетарного бетоносмесителя. Порядок перемешивания:

1. Сухое перемешивание цемента и заполнителей — 60 секунд;
2. Введение воды с растворённой добавкой — 30 секунд;
3. Перемешивание всех компонентов — 120 секунд.

После приготовления бетон укладывался в формы (кубы 150×150×150 мм для прочности, плиты 300×300×30 мм для теплопроводности), с последующим вибрированием на виброплощадке. Образцы выдерживались в нормальных условиях (20 ± 2 °C, влажность не менее 95 %) до момента испытаний [8].

4. Методы испытаний.

Проводились следующие испытания:

• Прочность на сжатие — по ГОСТ 10180-2012, на пресс-машине ПГМ‑100МГ4, через 7, 28 и 90 суток;
• Теплопроводность — по ГОСТ 7076-99, методом стационарного теплового потока, при температуре 25 ± 1 °C, с использованием тепломера ИТП-МГ4;
• Плотность и пористость — по ГОСТ 12730.1–78 и ГОСТ 12730.2–78;
• Водопоглощение — по ГОСТ 12730.3–78, погружением образцов в воду на 48 часов.
• Морозостойкость (дополнительно) — по ускоренному методу ГОСТ 10060-2012 (если применимо) [9].

Для каждого варианта проводилось не менее 3 повторных испытаний. Представлены усреднённые значения с допустимым отклонением не более ±5 % [10].

Заключение

В ходе исследования разработана методология приготовления бетонных смесей, основанная на оптимальном подборе состава, строгом дозировании и тщательном контроле свойств на каждом этапе технологического процесса. Показано, что соблюдение последовательности операций ― от выбора и подготовки сырья до укладки и ухода за бетоном ― обеспечивает получение однородной смеси с заданной удобоукладываемостью и высокими физико-механическими характеристиками.

Применение химических добавок, в частности суперпластификаторов, позволило снизить водоцементное отношение без потери подвижности, что способствует повышению прочности и долговечности бетона. Результаты испытаний подтверждают эффективность разработанной методики для производства энергоэффективных и ресурсосберегающих бетонных смесей, отвечающих современным требованиям строительной отрасли.

Список литературы:

1. ГОСТ 27006–2019. Бетоны. Правила подбора состава. – М.: Стандартинформ, 2020. – 18 с.
2. ГОСТ 10181–2019. Смеси бетонные. Методы испытаний. – М.: Стандартинформ, 2020. – 34 с.
3. ГОСТ 31108–2020. Цементы общестроительные. Технические условия. – М.: Стандартинформ, 2021. – 28 с.
4. Neville A. M. Properties of Concrete. – 5th ed. – London: Pearson Education, 2011. – 844 p.
5. Mehta P. K., Monteiro P. J. M. Concrete: Microstructure, Properties, and Materials. – 4th ed. – New York: McGraw-Hill, 2014. – 704 p.
6. Баженов Ю. М. Технология бетона. – М.: Изд-во АСВ, 2002. – 500 с.
7. Чечулин Б. Б. Модифицированные бетонные смеси: учебное пособие. – М.: Инфра-Инженерия, 2018. – 256 с.
8. Siddique R., Klaus J. Influence of metakaolin on the properties of mortar and concrete: A review. // Applied Clay Science. – 2009. – Vol. 43(3–4). – P. 392–400.
9. Bentz D. P., Ferraris C. F., Jones S. Z. Mixture proportioning influence on concrete performance. // Cement and Concrete Composites. – 2017. – Vol. 78. – P. 146–154.
10. Xu W., Lo T. Y., Wang W. Effects of superplasticizers on the workability and mechanical properties of high-performance concrete. // Construction and Building Materials. – 2020. – Vol. 245. – P. 118–129.