Получение востребованных в современной строительной индустрии самоуплотняющихся бетонных смесей и бетонов с высокими физико-техническими и эксплуатационными характеристиками требует применения эффективных пластифицирующих и тонкодисперсных активных минеральных добавок [1,2, 4]. В качестве последних широко используются отходы и попутные продукты различных производств. Одной из таких минеральных добавок является микрокремнезем (МК).
МК состоит из частиц активного оксида кремния сферической формы и представляет собой побочный продукт производства ферросплавов. Средний размер частиц МК составляет 0,1…0,05 мкм, т. е. примерно в 100 раз меньше среднего размера частиц цемента. Благодаря столь большой дисперсности и аморфному состоянию, МК имеет высокую пуццолановую активность и является эффективным микронаполнителем [6].
Являясь активной минеральной добавкой, МК проявляет в бетоне два основных эффекта: микронаполняющий и пуццолановый. Основным аспектом первого считается заполнение его частицами в бетоне пустот между зернами цемента. Кроме того, мельчайшие зерна МК исполняют роль центров кристаллизации [6].
Пуццолановый эффект проявляется во взаимодействии МК с гидроксидом кальция, выделяемого при гидратации цемента. Образование прочных и устойчивых низкоосновных гидросиликатов кальция приводит к улучшению свойств цементного камня. В бетонах происходит существенное увеличение объема гелевых пор и снижение объема капиллярных пор, вследствие чего повышаются плотность, водонепроницаемость, морозостойкость [1, 6].
Применение МК целесообразно в комплексе с водоредуцирующими добавками, такими как суперпластификаторы (СП), поскольку МК, в виду своей высокой дисперсности, поглощает достаточно большое количество воды, и без СП весь эффект от активной минеральной добавки сводится к минимуму, а в ряде случаев приводит к снижению прочностных характеристик бетона [1, 2,5,6].
Новое поколение СП, полученных на базе поликарбоксилатных эфиров, обеспечивает высокую подвижность и связность бетонных смесей при низких значениях водоцементного отношения, длительную сохраняемость их свойств [1,7]. Для СП на основе поликарбоксилатов характерно наличие анионной основной и гидрофобной незаряженных боковых цепей, действие которых вызывает стерическое отталкивание частиц твердой фазы. Вид и длина основной, а также длина и частота расположения боковых цепей могут варьироваться у молекул различных СП, что позволяет результативно управлять процессами адсорбции этих СП на зернах вяжущего [2, 4,8, 9].
Целью исследования являлось изучение влияния содержания МК на прочность бетона с пониженным расходом цемента, модифицированного поликарбоксилатным СП Glenium® ACE 430 [3].
Материалы и методы исследования
Исследовано влияние содержания микрокремнезема МК-85 (ТУ 5743-048-02495332-96) на прочность бетона с пониженным расходом цемента, модифицированного поликарбоксилатным СП Glenium® ACE 430производства компании BASF [3]. В качестве вяжущего применялся портландцемент ЦЕМ I 42,5Н производства ЗАО «Ульяновскцемент». В качестве крупного заполнителя использовался плотный доломитовый щебень, с прочностью по дробимости 1200, состоящий из смеси двух фракций: 5/10 мм – 60 % и 10/20 мм – 40 % по массе. В качестве мелкого заполнителя применялся природный мелкозернистый кварцевый песок с модулем крупности Мк=1,9.
Смеси приготавливались в лабораторном смесителе. Поликарбоксилатный СП Glenium® ACE 430 вводился в бетонную смесь с последней третью воды затворения после пятиминутного перемешивания. После этого смесь дополнительно перемешивалась в течение 3 минут. Подвижность смесей определялась по осадке конуса.
Из подвижных бетонных смесей виброуплотнением, в течение 10 с, формовались образцы-кубы размерами 100×100×100мм. В возрасте 3, 7 и 28 суток нормального твердения на испытательном прессе периодически контролировалась их прочность при сжатии.
Исследовались образцы бетона с расходом цемента 150, 180 и 210 кг/м3. Содержание МК варьировалось от 2 до 10 % от массы цемента. Содержание поликарбоксилатного СП Glenium® ACE 430 – 0 до 1,5 %.
Результаты исследования и их обсуждение
В таблице 1 представлены составы равноподвижных бетонных смесей с маркой по удобоукладываемости П3 (ОК=12±2см), а также результаты испытания бетонов.
Анализ водопотребности равноподвижных бетонных смесей показывает, что увеличение содержания микрокремнезема от 2 до 10 % приводит к повышению водоцементного отношения на 17-25 %. Скомпенсировать рост водопотребности бетонной смеси можно с помощью суперпластификатора Glenium ACE 430. Введение суперпластификатора на основе поликарбоксилатного эфира Glenium® ACE 430 в количестве 1,5 % от массы цемента в бетон, содержащий 10 % микрокремнезема, уменьшает водопотребность бетонной смеси на 15-25% в зависимости от содержания цемента. При введении суперпластификатора Glenium® ACE 430 в количестве 1,5 % и при повышении содержания микрокремнезема от 2 до 10% МК водоцементное отношение бетонной смеси с расходом цемента 180-210 кг понизилось в среднем на 10 %. Исследование кинетики роста прочности бетонов позволило выявить замедление роста прочности при содержании суперпластификатора в количестве 1,5 % от массы цемента в возрасте 3 суток.
На рисунке 1 показана диаграмма прочности при сжатии модифицированного бетона с расходом цемента 150 кг/м3 в возрасте 28 суток.
Результаты показывают, что повышение содержания МК с 2 до 10% в немодифицированных составах приводит к увеличению прочности на 13%. При этом водоцементное отношение равноподвижных смесей возросло с 0,64 до 0,75, то есть на 17 %.
Таблица 1
Предел прочности составов тяжелого бетона с микрокремнеземом
|
№ п/п |
Расход материалов на 1 м3 бетона, кг/м3 |
Содержание добавок, % от массы цемента |
В/Ц |
Средний предел прочности при сжатии, МПа |
|||||
|
Щебень |
Песок |
Цемент |
МК-85 |
Glenium ACE 430 |
3 сутки |
7 сутки |
28 сутки |
||
|
1 |
1250 |
750 |
150 |
2% |
0,00% |
0,64 |
7,6 |
13 |
16,8 |
|
2 |
0,75% |
0,63 |
9,3 |
14,6 |
19,2 |
||||
|
3 |
1,50% |
0,60 |
11,8 |
16,9 |
20,8 |
||||
|
4 |
6% |
0,00% |
0,74 |
8,4 |
12,4 |
17,2 |
|||
|
5 |
0,75% |
0,71 |
9,8 |
11,9 |
20,4 |
||||
|
6 |
1,50% |
0,64 |
12,0 |
16,0 |
23,2 |
||||
|
7 |
10% |
0,00% |
0,75 |
10,9 |
13,6 |
19,0 |
|||
|
8 |
0,75% |
0,72 |
11,6 |
15,6 |
21,4 |
||||
|
9 |
1,50% |
0,65 |
9,9 |
15,4 |
24,8 |
||||
|
10 |
1250 |
750 |
180 |
2% |
0,00% |
0,65 |
15,3 |
20,0 |
23,4 |
|
11 |
0,75% |
0,59 |
14,8 |
20,6 |
24,5 |
||||
|
12 |
1,50% |
0,55 |
10,9 |
18,7 |
25,2 |
||||
|
13 |
6% |
0,00% |
0,66 |
12,2 |
15,2 |
23,7 |
|||
|
14 |
0,75% |
0,60 |
12,8 |
17,7 |
25,5 |
||||
|
15 |
1,50% |
0,57 |
12,7 |
17,3 |
26,4 |
||||
|
16 |
10% |
0,00% |
0,69 |
12,3 |
18,6 |
24,3 |
|||
|
17 |
0,75% |
0,61 |
13,8 |
19,8 |
26,6 |
||||
|
18 |
1,50% |
0,57 |
13,0 |
16,4 |
27,9 |
||||
|
19 |
1250 |
740 |
210 |
2% |
0,00% |
0,53 |
20,1 |
25,7 |
31,2 |
|
20 |
0,75% |
0,50 |
19,2 |
27,0 |
32,7 |
||||
|
21 |
1,50% |
0,48 |
15,5 |
26,3 |
33,2 |
||||
|
22 |
6% |
0,00% |
0,57 |
16,7 |
26,8 |
30,0 |
|||
|
23 |
0,75% |
0,52 |
19,2 |
25,8 |
33,0 |
||||
|
24 |
1,50% |
0,49 |
17,1 |
24,2 |
35,1 |
||||
|
25 |
10% |
0,00% |
0,66 |
14,1 |
21,0 |
28,7 |
|||
|
26 |
0,75% |
0,53 |
18,5 |
25,1 |
33,6 |
||||
|
27 |
1,50% |
0,49 |
18,9 |
23,9 |
37,8 |
||||
Повышение прочности можно объяснить микронаполняющим и пуццолановым эффектом минеральной добавки [6]. Отмечено интенсивное повышение прочности бетонов при введении суперпластификатора Glenium® ACE 430. Введение 1,5 % суперпластификатора и увеличение содержания микрокремнезема с 2 до 10 % позволило повысить прочность бетонной смеси от 24 до 30 %.
В составах с различным содержанием микрокремнезема влияние суперпластификатора на кинетику роста прочности идентично. Совместное применение 10% микрокремнезема и 1,5% суперпластификатора Glenium ACE 430 позволяет увеличить прочность в сравнении с контрольным составом на 48%.
Рис.1. Диаграмма прочности при сжатии бетона (МПа) с расходом цемента 150 кг/м3в возрасте 28 суток в координатах:
Х1 – содержание Glenium® ACE 430, в % от массы цемента
Х2 – содержание микрокремнезема МК-85, в % от массы цемента
Рис.2. Диаграмма прочности при сжатии бетона (МПа) с расходом цемента 180 кг/м3 в возрасте 28 суток в координатах:
Х1 – содержание Glenium® ACE 430, в % от массы цемента
Х2 – содержание микрокремнезема МК-85, в % от массы цемента
На рисунке 2 показана диаграмма прочности бетона при сжатии бетона с расходом цемента 180 кг/м3.
При повышении содержания микрокремнезема с 2 до 10 % в немодифицированных составах прочность бетона с расходом цемента 180 кг/м3 увеличивается незначительно – на 4%. В присутствии 1,5 %суперпластификатора Glenium® ACE 430 увеличение содержания МК от 2 до 10 % позволяет увеличить прочность бетонной смеси до 10%.
Введение в бетон, содержащий 2 % микрокремнезема, добавки Glenium® ACE 430 в количестве 1,5% от массы цемента позволяет увеличить прочность бетона на 8%.Совместное применение 10% микрокремнезема и 1,5% суперпластификатора приводит к повышению прочности бетона на 19%.
Рис.3. Диаграмма прочности при сжатии бетона (МПа) с расходом цемента 210 кг/м3 в возрасте 28 суток в координатах:
Х1 – содержание Glenium® ACE 430, в % от массы цемента
Х2 – содержание микрокремнезема МК-85, в % от массы цемента
На рисунке 3 показана диаграмма прочности при сжатии бетона с расходом цемента 210 кг/м3 в возрасте 28 суток.
При расходе цемента 210 кг/м3 при добавлении МК в составы без СП наблюдается снижение прочности до 8%, что обусловлено повышением водоцементного отношения равноподвижных бетонных смесей.
В присутствии 1,5 % суперпластификатора повышение содержания микрокремнезема от 2 до 10 % позволяет увеличить прочность бетонной смеси на 14% .
Комплексное использование 10% МК и 1,5% СП приводит к повышению прочности бетона на 21%.
Выводы
1. Установлено, что применение микрокремнезема приводит к увеличению водопотребности равноподвижных бетонных смесей. Применение в бетоне суперпластификатора Glenium® ACE 430 сдерживает рост водопотребности бетонной смеси с микрокремнеземом.
2. Поликарбоксилатный суперпластификатор Glenium® ACE 430, в количестве 1,5 % от массы цемента, снижает водопотребность бетонной смеси на 15-25 %.
3. 10% микрокремнезема от массы цемента в немодифицированных составах с расходом цемента 150 кг/м3 увеличивает прочность бетона на 13%.
4. Совместное использование микрокремнезема и суперпластификатора Glenium® ACE 430 позволило получить бетон класса B25 при расходе цемента 210 кг/м3.
Рецензенты:
Краснов А.М., д.т.н., профессор, профессор кафедры строительных технологий и автомобильных дорог ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола;
Салихов М.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой строительных технологий и автомобильных дорог ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Пенза.
Библиографическая ссылка
Минаков Ю.А., Кононова О.В., Анисимов С.Н., Смирнов А.О., Лешканов А.Ю. ПЛАСТИФИЦИРОВАННЫЕ МАЛОЦЕМЕНТНЫЕ БЕТОНЫ С ДОБАВКОЙ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-1. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=21300 (дата обращения: 28.04.2025).