Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Вопросам рационального и комплексного использования местных минеральных ресурсов в строительстве, снижению стоимости строительных объектов, производству и распространению экологически безопасной строительной продукции в настоящее время уделяется большое внимание. В связи с широким распространением во многих регионах Российской Федерации осадочных карбонатных пород актуальной является задача их комплексного использования [3; 6]. Сравнительно низкая прочность и высокая неоднородность состава часто затрудняет и ограничивает применение этого экологически чистого минерального сырья, в том числе в производстве бетонов в качестве крупного заполнителя [2]. В то же время применение привозного крупного заполнителя приводит к значительному удорожанию выпускаемого бетона и строительных объектов в целом.

Исследование сырьевой базы карбонатного щебня республики Марий Эл (РМЭ) показывает его высокую неоднородность не только по прочности и плотности, но и по минералогическому составу. В частности, испытания карбонатных пород РМЭ показали, что их плотность может варьироваться от 1570 до 2710 кг/м3, а прочность при сжатии от 10 до 100 МПа. При этом среднее значение прочности при сдавливании в цилиндре не превышает марку 400. Содержание Mg(CO)3 в карбонатных породах в пределах одного месторождения отличается на десятки процентов [4]. Это сдерживает использование местных карбонатных пород в производстве извести, цемента и силикатных изделий.

Исследования направлены на поиск путей повышения эффективности применения карбонатных пород РМЭ в производстве бетонов. С учетом низкой прочности карбонатных пород сформулирована гипотеза о возможности повышения эффективности их применения в бетонах за счет ограничения количества карбонатного щебня при условии дополнительного использования поверхностно-активных модификаторов, снижающих водопотребность бетонной смеси и улучшающих структуру растворной части бетона [1; 5].

Задача исследования состояла в изучении влияния содержания карбонатного щебня и модифицирующих добавок (СДО и Glenium®51) на формирование физико-технических свойств бетона – прочности при сжатии, водо- и морозостойкости.

В качестве крупного заполнителя применялся карбонатный щебень Коркатовского карьера РМЭ в виде смеси двух фракций: фракции 10-20 мм – 60% и фракции 5-10 мм 40% по массе соответственно. Минералогический состав применяемого щебня характеризовался присутствием 59% доломита и 40% кальцита. Примеси в пределах 1% были представлены минералами кварца и полевого шпата. В качестве мелкого заполнителя использовался природный кварцевый песок Студенковского карьера РМЭ с модулем крупности 2,07.

Ранее проведенные исследования показали, что при максимальном объемном содержании карбонатного щебня, близком к 1,0 м3 на 1 м3 бетона и пониженном только на величину коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя, коэффициент водостойкости бетона снижается до критического значения - 0,8.

Проведен анализ зависимости коэффициента водостойкости бетона от расхода цемента в пределах от 250 до 450 кг на 1 м3 бетона и объемного содержания карбонатного щебня соответственно от 0,7 до 0,9 м3. Расход воды подбирался экспериментально и соответствовал получению равноподвижных смесей с жесткостью 20 с. Водостойкость бетонов оценивалась с помощью коэффициента размягчения по соотношению прочности при сжатии бетона в насыщенном водой состоянии к прочности бетона в сухом состоянии.

В результате проведенного эксперимента получены бетоны с прочностью при сжатии от 25 до 45 МПа. Все составы показали свою высокую водостойкость, в пределах 0,98-1,0.

Исследовано влияние понижения содержания щебня в пределах от 0,9 до 0,7 м3 на 1 м3 бетона в присутствии модификатора СДО от 0 до 0,06% от массы цемента на свойства бетона, получаемого из равноподвижных смесей жесткостью 20 с методом виброуплотнения при частоте вибрации 50 Гц и амплитуде колебаний 0,5 мм. Бетонные смеси приготавливались в лабораторном вибросмесителе в течение 3 мин. Добавка СДО вводилась с водой затворения. Из бетонных смесей формовались образцы - кубы размером 100×100×100 мм. Физико-технические свойства бетонов определялись в возрасте 28 суток твердения в нормальных условиях.

При постоянном расходе цемента 350 кг/м3 изучено влияние содержания карбонатного щебня и модифицирующей добавки СДО на формирование прочности, капиллярно-открытой пористости и морозостойкости бетона. Влияние состава бетона на формирование прочности при сжатии Rcж, МПа приведено в таблице 1.

Таблица 1 – Влияние состава бетона на прочность при сжатии

Установлено, что поверхностно-активный модификатор СДО в количестве 0,03% снижает водопотребность равноподвижных бетонных смесей в среднем на 5%. Дальнейшее увеличение количества вводимой добавки до 0,06% от массы цемента незначительно понижает водопотребность. В случае отсутствия модификатора СДО уменьшение объемного содержания карбонатного щебня с 0,9 до 0,7 м3 на 1 м3 бетона приводит к понижению прочности составов от 34 МПа до 28,8 МПа. Введение добавки СДО способствует повышению прочности составов на 5-7%. Статистически значимым на предел прочности при сжатии бетона, модифицированного добавкой СДО, при доверительной вероятности 95% признано снижение объемного содержания карбонатного щебня до 0,7 м3 на 1 м3 бетона.

Влияние модификатора СДО и объемного содержания щебня при расходе цемента 350 кг/м3 на морозостойкость бетона определялась ускоренным структурно-механическим методом в соответствии с ГОСТ 10060.4-95. При этом контролировались капиллярно-открытая пористость и коэффициент повышения прочности бетона при однократном замораживании в насыщенном водой состоянии.

Установлено, что во всем диапазоне варьирования содержания щебня наилучшее влияние на снижение объема капиллярно открытых пор в бетоне оказывает модификатор СДО в количестве 0,03% от массы цемента. Так, при постоянном объемном содержании щебня 0,9 м3 на 1 м3 бетона присутствие добавки СДО в количестве 0,03% от массы цемента понижает капиллярно-открытую пористость бетона с 14,4 до 13,4%. Увеличение содержания СДО до 0,06% не приводит к дальнейшему уменьшению капиллярно открытой пористости.

На рисунке 1 приведена зависимость морозостойкости бетона от содержания карбонатного щебня и количества модификатора СДО.

Рисунок 1 - Зависимость морозостойкости бетона при постоянном расходе цемента 350 кг/м3 от расхода карбонатного щебня и содержания добавки СДО

Анализ влияния содержания щебня и модификатора СДО на морозостойкость показал, что рациональное содержание модификатора СДО 0,03% от массы цемента при рациональном содержании щебня 0,8-0,9 м3 повышает морозостойкость бетона от марки F100 до марки F150. Сопоставление данных показывает, что повышение прочности при сжатии бетона согласуется с результатами определения его морозостойкости и капиллярно-открытой пористости.

Самоуплотняющиеся бетонные смеси изготавливают на составах с содержанием крупного заполнителя не более 0,5 м3 на 1 м3 бетона. В рамках безвибрационной технологии самоуплотняющихся бетонных смесей в присутствии суперпластификатора Glenium®51 на основе поликарбоксилатного эфира исследовано влияние понижения содержания карбонатного щебня в пределах от 0,5 до 0,3 м3 на 1 м3 бетона на формирование его прочности. В качестве варьируемых факторов в эксперименте были выбраны: содержание карбонатного наполнителя и содержание карбонатного щебня фракции 5–10 мм. Карбонатный наполнитель с удельной поверхностью 350 м2/кг был получен помолом отсевов дробления карбонатных пород. При этом расчет вводимого количества карбонатного наполнителя производился из условия, что суммарное содержание цемента и минерального наполнителя (Ц+Н) в смесях составляло 540 кг на 1 м3 бетона. Исходя из этого, содержание минерального наполнителя в исследуемых составах варьировалось от 30 кг до 170 кг на 1 м3 бетона. Щебень вводился в количестве 30-50% от насыпного объема. На основании предварительных испытаний содержание суперпластификатора Glenium® 51 во всех составах было принято равным 2% от суммарной массы цемента и карбонатного наполнителя. Предел прочности при сжатии бетона определялся испытанием образцов-кубов с размером 100х100100 мм после их твердения в течение 28 суток в нормальных условиях.

Результаты исследования прочности при сжатии самоуплотняющегося бетона представлены на рисунке 2.

Анализ полученных результатов показал, что влияние частичной замены цемента карбонатным наполнителем целесообразно при содержании щебня в пределах 30-40%. Для этих составов применение карбонатного наполнителя способствует экономии цемента. В целом было выявлено, что составы бетона с карбонатным наполнителем при введении в рецептуру суперпластификатора Glenium® 51 в количестве до 2% от суммарной массы цемента и карбонатного наполнителя позволяют получить бетоны с прочностью при сжатии от 34 до 46 МПа по безвибрационной технологии.

Рисунок 2 - Влияние частичной замены цемента карбонатным наполнителем на прочность самоуплотняющегося бетона

Выводы

1. Установлено, что бетон на карбонатном щебне при его содержании в бетоне в пределах от 0,9 до 0,7 м3 водостоек. С точки зрения формирования прочности и морозостойкости при постоянном расходе цемента 350 кг рекомендуются составы бетона, содержащие 0,03% СДО и не ниже 0,8 м3 карбонатного щебня на 1 м3 бетона.

2. Экономичные с точки зрения расхода цемента самоуплотняющиеся составы бетона могут быть получены на основе суперпластификатора Glenium® 51 и карбонатного наполнителя при объемном содержании карбонатного щебня в пределах 0,4-0,3 м3 на 1 м3 бетона.

Рецензенты:

Салихов Мухаммет Габдулхаевич, д-р. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой автомобильных дорог ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.

Краснов Анатолий Митрофанович, д-р. техн. наук, профессор кафедры строительных материалов и технологии строительства ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.