ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА, ГРАНИТНОГО ЩЕБНЯ И ПОЛИКАРБОКСИЛАТНЫХ ПЛАСТИФИКАТОРОВ В БЕТОННЫХ КОМПОЗИЦИЯХ

АННОТАЦИЯ

В данной статье исследованы физико-механические и технологические свойства основных сырьевых материалов, применяемых при приготовлении бетонных композиций, а именно портландцемента марки 32,5 производства Бекабадского цементного завода, гранитного щебня, добытого на месторождении Зиёвиддин Самаркандской области, а также импортных и отечественных пластификаторов на основе поликарбоксилатов. В ходе исследований в лабораторных условиях были определены истинная плотность цемента и заполнителей, прочность гранитного щебня, удельная поверхность и гранулометрический состав цемента. Кроме того, оценены массовая доля сухого остатка пластификаторов, показатель pH и эффективность снижения водопотребности. Полученные результаты показали, что синтезированные пластификаторы PCH-40 и PCT-40 по технологическим показателям являются конкурентоспособными по отношению к импортным аналогам, а гранитный щебень соответствует требованиям, предъявляемым к высокопрочному заполнителю для бетона.

ABSTRACT

This article investigates the physico-mechanical and technological properties of the main raw materials used in the preparation of concrete compositions, namely Portland cement of strength class 32.5 produced by the Bekabad Cement Plant, granite crushed stone extracted from the Ziyoviddin deposit in the Samarkand region, as well as imported and domestic polycarboxylate-based plasticizers. Under laboratory conditions, the true density of cement and aggregates, the strength of granite crushed stone, the specific surface area, and the granulometric composition of the cement were determined. In addition, the mass fraction of dry residue of the plasticizers, pH value, and water-reducing efficiency were evaluated. The obtained results showed that the synthesized plasticizers PCH-40 and PCT-40 are technologically competitive with imported analogues, and that the granite crushed stone meets the requirements for high-strength aggregates used in concrete.

Ключевые слова: бетонная композиция, портландцемент, гранитный щебень, истинная плотность, механическая прочность, удельная поверхность, поликарбоксилатный пластификатор, снижение водопотребности, массовая доля сухого остатка, местное сырьё, ресурсосберегающая технология.

Keywords: concrete composition, Portland cement, granite crushed stone, true density, mechanical strength, specific surface area, polycarboxylate plasticizer, water reduction, mass fraction of dry residue, local raw materials, resource-saving technology.

Введение. В современных технологиях бетона точная оценка физико-механических свойств сырьевых материалов является одним из ключевых условий получения высококачественной строительной продукции. В частности, истинная плотность щебня и цемента играет существенную роль в формировании плотности и прочности бетонной смеси. Соотношение заполнителей и вяжущих компонентов определяет внутреннюю структуру бетона, уровень его пористости, а также прочностные показатели получаемого изделия. В связи с этим определение их реальных физико-механических характеристик в лабораторных условиях имеет важное практическое значение. Измерения, основанные на методе Ле-Шателье, позволяют объективно оценить истинные объёмные свойства материалов. Прочность инертного заполнителя оказывает заметное влияние на прочность формируемого бетона. Кроме того, концентрация пластификаторов чётко отражает количественный эффект их применения. Настоящее исследование направлено на научно обоснованный анализ взаимосвязи между компонентами бетонных композиций.

А.Т. Беккер и соавторы в работе [1] «Экспериментальное исследование физико-механических свойств грунтоцемента на основе однородных песков одной фракции» изучили эффективность цементации грунтов с использованием технологии Jet Grouting. Целью исследования являлось выявление взаимосвязи между плотностью грунтоцементной смеси, её прочностью при одноосном сжатии и модулем деформации. В ходе работы авторами было введено новое научное понятие — «коэффициент заполнения пористости», значительное влияние которого на свойства грунтоцемента было экспериментально доказано. В лабораторных условиях были изготовлены и испытаны 203 образца при использовании песков различных фракций и разного расхода цемента. Полученные результаты показали, что оптимальные физико-механические характеристики грунтоцемента наблюдаются при значении коэффициента заполнения пористости, равном 1,4. Кроме того, установлено, что увеличение содержания цемента после достижения определённого предела приводит к снижению прочности материала.

В научных работах авторов [2] проведён анализ физико-механических свойств пористых заполнителей, применяемых для лёгких бетонов. В частности, выполнено сравнение широко используемого керамзитового гравия и гранулированного пеностекла, а также определены возможности их применения в составах лёгких бетонов. По результатам экспериментов установлено, что пеностекло обладает вдвое меньшей плотностью, но более высокими теплоизоляционными свойствами. Наличие замкнутых пор в прочной структуре пеностекла снижает водопоглощение, что способствует повышению термостойкости бетона. Вместе с тем прочность пеностекла при сжатии оказалась в четыре раза ниже по сравнению с керамзитом, в связи с чем рекомендуется уменьшение доли крупной фракции в составе. Проведённые испытания показали, что использование данного материала позволяет получать лёгкие бетоны с маркой по плотности D1000 и классом прочности B5.

В ряде исследований разработаны экспресс-методы оперативного определения и прогнозирования активности цемента, а также научно обоснована целесообразность их внедрения в производственную практику. В частности, проанализированы контракциометрические методы, основанные на измерении объёмной усадки цемента в процессе гидратации, с использованием приборов IAS-03, KD-07 и «Cement-Prognoz». Применение данных методов позволяет определять активность цемента в течение нескольких часов и оперативно реагировать на изменения технологических параметров в производстве. Автором также выполнено сравнение методов SNIPS-2 и Миронова–Френкеля с оценкой их точности и эффективности. Полученные результаты показали, что контракциометрические методы способствуют обеспечению стабильности качества цемента, снижению вариабельности прочности бетона и оптимизации расхода цемента [3].

В других научных публикациях экспериментально изучено влияние полимерных добавок на физико-механические свойства тяжёлых бетонов. В рамках исследований были определены прочность при сжатии, водонепроницаемость и модуль упругости бетонных образцов, изготовленных с применением полимерных добавок различной концентрации. Результаты показали, что введение оптимального количества полимерных добавок приводит к снижению водопоглощения бетона, уменьшению пористости и повышению прочности на 15–25 %. Вместе с тем при превышении оптимальной дозировки наблюдается замедление процессов гидратации цемента и снижение структурной устойчивости материала. Согласно результатам исследований, полимерные модификаторы являются эффективным средством повышения долговременной прочности и морозостойкости бетона [4].

Ряд научных исследований посвящён изучению эффективности технологии jet-grouting (струйной цементации) при реконструкции портовых и гидротехнических сооружений. Авторы работы [5] выполнили экспериментальный анализ физико-механических свойств грунтоцемента, приготовленного на основе песков одинаковой фракции. В ходе исследований в лабораторных условиях были измерены такие параметры, как плотность, прочность при одноосном сжатии и модуль деформации. В работе введено новое научное понятие — «коэффициент заполнения пор грунта (КЗП)», и установлено его влияние на свойства грунтоцемента. Экспериментальные результаты показали, что при значении КЗП ≈ 1,4 прочностные и плотностные показатели материала достигают максимальных значений, тогда как при меньших или больших значениях наблюдается нарушение структурной целостности материала. Полученные данные свидетельствуют о важности оптимизации расхода цемента и гранулометрического состава в технологии jet-grouting.

На основании анализа рассмотренных источников можно сделать вывод, что для получения высокопрочного бетона физико-механические характеристики исходных сырьевых материалов действительно имеют решающее значение.

Цель исследования заключается в определении физико-механических показателей сырьевых материалов, которые могут быть использованы в рамках данного исследования.

Методы исследования. Для определения истинной плотности щебня и цемента в лабораторных условиях из пробы отбирали около 200 г материала, который измельчали в ступке и просеивали через сито № 008. Затем 100 г порошка, прошедшего через сито № 008, взвешивали в чашке весов или фарфоровой чашке. Прибор Ле-Шателье заполняли водой до нижней нулевой отметки, после чего фиксировали уровень жидкости по нижней риске. Измельчённый порошок медленно засыпали в сосуд Ле-Шателье до тех пор, пока уровень жидкости, отсчитанный от нижней отметки, не поднимался до значения 20 мл. Оставшуюся часть порошка, не внесённую в прибор, повторно взвешивали; все взвешивания выполняли с погрешностью не более ±0,01 г. Обработка результатов осуществлялась путём расчёта истинной плотности материала по соответствующей формуле. При определении истинной плотности цемента в качестве рабочей жидкости вместо воды использовали изопропиловый спирт.

где ρ — плотность (г/см³), m — масса вещества (г), V — объём вещества (см³).

Прочность щебня в соответствии с ГОСТ 8269.0–97 оценивается по степени его дробимости при сжатии под нагрузкой. Для проведения испытаний материал предварительно разделяют на стандартные фракции, каждая из которых исследуется отдельно. Испытание образцов как в сухом состоянии, так и в водонасыщенном виде позволяет определить устойчивость щебня в условиях повышенной влажности. В процессе сжатия в специальных стальных цилиндрах при высоком давлении устанавливается степень разрушения зерен. После испытания материал подвергают просеиванию, по результатам которого определяется количество образовавшихся мелких фракций вследствие разрушения. Степень дробимости Dr (%) вычисляется по соответствующей формуле, на основании чего проводится количественная оценка механической прочности щебня. Чем меньше значение Dr, тем более высокой прочностью и надежностью характеризуется заполнитель.

Dr — степень дробимости щебня, %;

m — масса пробы щебня, отобранной до проведения испытания, г;

m₁ — масса материала, оставшаяся после испытания (в барабане/при сжатии/ударном воздействии) и последующего просеивания, г.

Определение удельной поверхности цементного образца проводилось с использованием прибора ПСХ-12М. При этом значение истинной плотности вводилось на основе данных, полученных в результате экспериментальных исследований.

При определении содержания сухого остатка применяемых (синтезированных) поликарбоксилатных пластификаторов из каждого образца отбиралось определённое количество материала, которое высушивалось в сушильном шкафу при температуре 100 ± 5 °С до достижения постоянной массы. Оставшаяся после сушки масса принималась за сухой остаток и рассчитывалась по соответствующей формуле.

Qq — содержание сухого остатка, %;

m₁ — масса пустой тары (бюкса, фарфоровой чашки), г;

m₂ — масса тары с остатком после высушивания, г;

m₀ — масса образца, отобранного для анализа, г.

Материалы, использованные в исследовании.

При выполнении настоящего исследования в качестве основных компонентов бетонных композиций были выбраны вяжущие и заполнители. В качестве вяжущего материала применялся портландцемент марки 32,5, произведённый на Бекабадский цементный завод. Данный цемент широко используется в строительной практике и характеризуется стабильностью физико-механических свойств. Перед проведением экспериментов цементные образцы были просеяны для удаления посторонних примесей и хранились в лабораторных условиях.

В качестве заполнителя был выбран природный гранитный щебень, добытый на месторождении Зиёвуддин в Самаркандская область. Перед испытаниями гранитный щебень был разделён на фракции 5–10 мм и 10–20 мм, каждая из которых исследовалась отдельно. Выбор данного материала обусловлен его высокой механической прочностью и способностью формировать устойчивую структуру в составе бетона. В экспериментах также применялись пластификаторы на основе поликарбоксилатов с целью улучшения реологических свойств цементной системы. Пластификаторы способствовали повышению подвижности смеси и снижению водопотребности. Содержание сухого остатка добавок определялось методом высушивания, что обеспечивало контроль их концентрации. Во всех опытах использовалась дистиллированная вода, а процессы испытаний проводились в строгом соответствии с требованиями нормативной документации. Совокупность применённых материалов обеспечила надёжность и воспроизводимость результатов исследования.

Экспериментальная часть. В лабораторных условиях были определены показатели истинной плотности портландцемента марки 32,5, произведённого на Бекабадский цементный завод, а также гранитного щебня, добытого на карьере Зиёвуддин в Самаркандская область. Полученные экспериментальные результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Истинная плотность цемента и гранита

Гранитный щебень был испытан в лабораторных условиях на показатели прочности в соответствии с требованиями ГОСТ 8267–93, а полученные результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Прочность гранита в зависимости от крупности зёрен

Таблица 3

Удельная поверхность и средний размер частиц образца цемента класса 32,5

Результаты и обсуждение. Анализ результатов измерений показал, что средний размер частиц образца цемента марки 32,5 составляет 8,1 мкм, а удельная поверхность равна 2524 см²/г. Указанные значения свидетельствуют о среднем уровне дисперсности цемента. Минимальные расхождения результатов при повторных измерениях (±0,1 %) подтверждают высокую точность выполнения экспериментальных измерений. Такая удельная поверхность и размер частиц указывают на то, что цемент обладает нормальной реакционной способностью, стабильным процессом гидратации и средней скоростью твердения. Данные показатели подтверждают, что цемент обладает достаточными физико-химическими свойствами для применения в качестве оптимального вяжущего материала в бетонных смесях. В рамках исследования также были изучены свойства отобранных пластификаторов. При этом наряду с импортными и отечественными пластификаторами различных марок были исследованы пластификаторы, синтезированные учёными Ташкентского химико-технологического научно-исследовательского института.

Таблица 4.

Свойства пластификаторов

В представленной таблице 4 в сравнительном виде отражены основные физико-химические и технологические показатели пластификаторов, отобранных для исследования, на основе чего проанализирована взаимосвязь между их происхождением, структурными особенностями и степенью воздействия на цементную систему. Импортные пластификаторы — Sika 4336 и PR-196 — характеризуются относительно низким содержанием сухого остатка (30–30,8 %). В то же время данные добавки обладают высокой эффективностью по снижению водопотребности (28–30 %), что свидетельствует о выраженной диспергирующей способности, характерной для современных суперпластификаторов на основе поликарбоксилатов. Значения pH в пределах 5–6 являются оптимальными для цементных систем и указывают на отсутствие негативного воздействия на процессы гидратации. Пластификатор DAB miks-1 отечественного производства, несмотря на несколько более высокое содержание сухого остатка по сравнению с импортными аналогами (32,6 %), характеризуется меньшей степенью снижения водопотребности, которая ограничивается уровнем 23 %. Пластификаторы PCH-40 и PCT-40, синтезированные учёными Ташкентского химико-технологического научно-исследовательского института, отличаются существенно более высоким содержанием сухого остатка (50,5–51,5 %), что свидетельствует о высокой концентрации активного вещества и возможности их применения в меньших дозировках. Синтез PCH-40 на основе HPEG-2400, а PCT-40 — на основе TPEG указывает на различие длины и конфигурации макромолекулярных боковых цепей, что находит отражение и в степени снижения водопотребности (29–30 %). Прозрачный и бесцветный внешний вид подтверждает высокую степень очистки данных добавок, а также их пригодность для применения в архитектурных и белоцементных бетонах.

В целом данные таблицы свидетельствуют о том, что синтезированные пластификаторы PCH-40 и PCT-40 по основным технологическим показателям не уступают импортным аналогам.

Заключение. Результаты проведённых экспериментальных исследований показали, что исходные материалы, использованные при разработке бетонных композиций, а именно портландцемент марки 32,5 производства Бекабадского цементного завода, гранитный щебень Зиёвиддинского месторождения и пластификаторы на основе поликарбоксилатов, характеризуются взаимной технологической совместимостью и высокой эффективностью по своим физико-механическим и технологическим показателям. Значения истинной плотности цемента, его удельной поверхности и размеров частиц подтверждают наличие среднего уровня дисперсности и стабильных гидратационных свойств. Низкая степень дробимости гранитного щебня, в свою очередь, свидетельствует о его высокой механической прочности и возможности надёжного применения в качестве заполнителя в бетонных смесях. Среди проанализированных пластификаторов синтезированные добавки PCH-40 и PCT-40 выделяются повышенным содержанием сухого остатка и высокой эффективностью снижения водопотребности, что указывает на их полную конкурентоспособность по отношению к импортным аналогам. В целом полученные результаты научно обосновывают возможность создания ресурсосберегающих, технологически устойчивых и обладающих высокими эксплуатационными характеристиками бетонных композиций на основе местного сырья и научно обоснованно синтезированных химических добавок.

Список литературы:

1. Беккер А. Т. и др. Эксперименталныэ исследования физических и механических свойств грунтотсемента на основе однородных песков одной фраксии //Вестник Инженерной школы Далневосточного федералного университета. – 2024. – №. 2 (59). – С. 96-108.
2. Семейных Н. С., Сопегин Г. В., Федосеэв А. В. Осенка физико-механических свойств пористых заполнителей для легких бетонов //Вестник МГСУ. – 2018. – Т. 13. – №. 2 (113). – С. 203-212.
3. Филатов Е. Ф. Экспресс-методы прогнозирования активности цемента в заводской лаборатории //Строителныэ материалы. – 2017. – №. 3. – С. 46-48.
4. Самченко С. В. и др. Влияние содержания комплексных добавок на деформационныэ характеристики цемента //Строителство: наука и образование. – 2023. – Т. 13. – №. 1. – С. 137-151.
5. Беккер А. Т. и др. Эксперименталныэ исследования физических и механических свойств грунтотсемента на основе однородных песков одной фраксии //Вестник Инженерной школы Далневосточного федералного университета. – 2024. – №. 2 (59). – С. 96-108.