Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

В последние годы получены и опубликованы данные многих исследователей, показывающие, что сочетание тонкодисперсного наполнителя и суперпластификатора обеспечивает синергический эффект в бетоне, позволяя получать наилучший результат по прочности [1–5]. Большой интерес сегодня как у строителей, так и у исследователей вызывает применение в бетонах отхода производства ферросплавов – микрокремнезема. Положительное влияние микрокремнезема как тонкодисперсной активной минеральной добавки и необходимость его использования в бетоне в сочетании с суперпластификатором описывалось в публикациях уже около 40 лет тому назад [5]. Была выдвинута идея повышения плотности упаковки твердых частиц в свежеуложенном бетоне, которая достигается оптимизацией зернового состава частиц бетонной смеси. K. Loland и O. Cyiorv показали, что частицы микрокремнезема, размер которых составляет 0,5…0,05 мкм, способны заполнять пустоты между частицами цемента и заполнителей. Частицы микрокремнезема создают вокруг себя прочно связанную оболочку воды, что затрудняет миграцию воды к поверхности бетона и, как следствие, снижает расслаиваемость бетонной смеси и усадку бетона [5].

Сегодня наибольшие надежды производителей бетонов связываются с совместным использованием в бетоне суперпластификаторов поликарбоксилатного типа и ультрадисперсных порошковых наполнителей, позволяющих получать особо высокопрочные самоуплотняющиеся составы бетонов. В частности, разработаны порошково-активированные бетоны нового поколения, содержащие повышенное количество суспензионной составляющей из цемента, порошкообразных дисперсных добавок из молотых горных пород и тонкого песка для улучшения разжижаемости их суперпластификаторами. Получены самоуплотняющиеся песчаные бетоны с карбонатным наполнителем с прочностью при сжатии 140–160 МПа [2]. Публикуемые результаты исследований бетонов с использованием микрокремнезема и суперпластификаторов не однозначны, что в определенной степени обусловлено применением разных базовых составов. Совместное использование суперпластификаторов на основе поликарбоксилатных эфиров и микрокремнезема является необходимым, но недостаточным условием формирования способности бетона к самоуплотнению. Способность к самоуплотнению обычно проявляется у бетона при повышенном содержании суперпластификатора (2…3 % от массы цемента) и повышенном содержании микрокремнезема или другого ультрадисперсного наполнителя (10…25 % от массы цемента) в сочетании с рациональным зерновым составом компонентов бетонной смеси [2; 3].

С учетом высоких цен на суперпластификаторы поликарбоксилатного типа и микрокремнезем, стоимость которого в 2…3 раза выше стоимости портландцемента, представляются важными исследования, направленные на дальнейшее совершенствование составов и свойств квазисамоуплотняющихся бетонов, получение которых проще и дешевле.

В этих условиях становится очевидной необходимость исследования влияния микрокремнезема и суперпластификатора на формирование свойств квазисамоуплотняющихся бетонов с различным содержанием цемента при использовании рядовых и доступных материалов, в том числе рядовых цементов и широко распространенных на территории РФ мелкозернистых песков.

Цель исследования состояла в изучении участия микрокремнезема и суперпластификатора поликарбоксилатного типа в формировании прочности и кинетики твердения тяжелого бетона при различном содержании цемента.

Материалы и методы исследования

Исследования выполнены на рядовом портландцементе ЦЕМ I 42,5Н, производства ЗАО «Ульяновскцемент» с удельной поверхностью 353 м2/кг, который имел следующий минералогический состав: C3А = 7,2 %, С3S = 58,0 %, С3А + С4АF = 20 %. Изучались составы бетонов с базовой подвижностью П3 и расходом цемента на 1 м3 150, 180, 210 и 330 кг, твердевшие в нормальных условиях. Для приготовления бетона использовался заполнитель из плотного доломитового щебня, с прочностью по дробимости 1200, при соотношении фракций по массе: 5/10 мм – 40 % и 10/20 мм – 60 %. В качестве мелкого заполнителя применен местный мелкозернистый природный кварцевый песок с модулем крупности 1,9. В качестве активного микронаполнителя использовался микрокремнезем марки МК-85, который вводился в бетонную смесь в сухом виде одновременно с цементом и дополнительно к нему. При этом его количество составляло 2 и 10 % от массы цемента. С учетом ранее проведенных исследований, показывающих, что при повышении содержания суперпластификатора в бетоне может замедляться кинетика набора ранней прочности, в исследованиях был применен суперпластификатор Glenium® ACE 430, обеспечивающий получение бетонных смесей с высокими показателями ранней и конечной прочности [1; 6].

Смеси приготавливались в лабораторном смесителе при общей продолжительности перемешивания 8 минут. Содержание воды подбиралось таким образом, чтобы обеспечить получение равноподвижных смесей с осадкой стандартного конуса КА 12 ± 2 см. Изготовлено две серии бетонов. Первая серия приготавливалась без суперпластификатора. Составы бетонов второй серии содержали суперпластификатор Glenium® ACE 430 в количестве 1,5 % от массы портландцемента. Поликарбоксилатный суперпластификатор Glenium® ACE 430 добавлялся в бетонную смесь с последней третьей частью воды затворения после предварительного перемешивания бетонной смеси в течение 5 минут [6]. Затем смесь дополнительно перемешивалась в течение 3 минут. В каждой серии приготавливались контрольные составы, не содержащие микрокремнезема.

Из бетонных смесей виброуплотнением, в течение 10 с, формовались образцы-кубы размерами 100×100×100 мм. В процессе твердения в нормальных условиях в возрасте 3, 7 и 28 суток на испытательном прессе контролировалась их прочность при сжатии.

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 1 приведены результаты испытания составов бетона, не содержащих суперпластификатора.

В целом проведенный эксперимент выявил следующие особенности в кинетике набора прочности исследованных составов бетона на применяемом цементе.

В возрасте 3 суток составы бетона, содержащие 2 % микрокремнезема, набирают от 45 % проектной (28-суточной) прочности при расходе цемента 150 кг/м3 до 53 % соответственно при расходе цемента 330 кг/м3. Составы бетона, содержащие 10 % микрокремнезема, в этом же диапазоне расхода цемента набирают от 47 до 54 % проектной прочности. Таким образом, выявлено, что при постоянном расходе цемента увеличение содержания микрокремнезема от 2 до 10 % не снижает кинетику набора ранней прочности бетона.

Рис. 1. Влияние содержания микрокремнезема (а – 2 %, б – 10 % от массы цемента) на кинетику твердения немодифицированного бетона из равноподвижных смесей; к – контрольные составы бетона без микрокремнезема

В возрасте 7 суток твердения составы, содержащие 2 % микрокремнезема, набрали 77…79 % проектной прочности. Увеличение содержания микрокремнезема от 2 до 10 % сопровождается понижением кинетики набора прочности бетонов в среднем от 78 до 73 %. Полученный результат может быть объяснен постепенным проявлением химической активности микрокремнезема в период после 7 суток твердения.

В структуре бетона микрокремнезем выполняет две функции – наполнителя и активной минеральной добавки. Это отражается на том, что в малоцементных составах с высокой структурно обусловленной макропористостью, несмотря на рост водоцементного отношения, в условиях соблюдения принципа равноподвижности, при увеличении содержания микрокремнезема от 0 до 10 % прочность бетона увеличивается. В частности, в возрасте 3 суток прочность контрольного состава бетона, не содержащего микрокремнезем, при расходе цемента 150 кг/м3 возросла у состава с расходом микрокремнезема 2 % с 7,0 МПа до 7,6 МПа, и до 9,9 МПа у состава, с расходом микрокремнезема 10 % от массы цемента. Прочность бетона контрольного состава в возрасте 28 суток с 15,6 МПа за счет введения 2 % микрокремнезема повысилась до 16,8 МПа, а добавка микрокремнезема в количестве 10 % от массы цемента привела к увеличению прочности состава до 21 МПа, то есть на 34 %.

Увеличение содержания цемента в немодифицированном бетоне снижает положительное влияние микрокремнезема как уплотнителя структуры. При расходе цемента 210 кг/м3 наполняющий эффект становится менее заметным. Это объясняется уменьшением объема структурно обусловленной макропористости бетона и разуплотняющим действием микрокремнезема в силу его высокой водопотребности и склонности к агрегатированию.

Анализ результатов исследования показал, что повышение содержания микрокремнезема в бетоне с расходом цемента 330 кг/м3 приводит к снижению прочности немодифицированных составов бетона. В возрасте 28 суток прочность бетона при введении 2 % микрокремнезема в сравнении с контрольным составом понизилась с 47,4 до 46,0 %, а при добавлении 10 % микрокремнезема, соответственно, до 38,8 МПа. Таким образом, снижение прочности при увеличении содержания микрокремнезема в исследованном диапазоне достигает 18 %.

На рис. 2 приведены результаты изучения кинетики твердения цементных бетонов, с добавкой Glenium® ACE 430 в количестве 1,5 % от массы цемента.

Исследованные составы при осадке конуса 12 см приобретают способность к качественному уплотнению при кратковременном виброуплотнении в течение 5 с. В возрасте 3 суток составы квазисамоуплотняющегося бетона с расходом цемента 150…210 кг/м3, содержащие 2…10 % микрокремнезема и до 1,5 % суперпластификатора Glenium® ACE 430, набирают 50…53 % 28-суточной прочности. В возрасте 7 суток твердения эти модифицированные составы бетона набирают 76…77 % проектной прочности. Приведенные результаты означают, что эффект ускорения твердения бетона в ранние сроки твердения при низких расходах цемента 150…210 кг/м3 под влиянием суперпластификатора Glenium® ACE 430 практически не проявляется.

При расходе цемента 330 кг/м3 составы квазисамоуплотняющегося бетона, содержащие 2...10 % микрокремнезема, за первые трое суток твердения набирают 67…68 % проектной прочности. В возрасте 7 суток модифицированные составы набирают 81…82 % конечной прочности. Таким образом, очевидно, что эффективность влияния добавки Glenium® ACE 430 на повышение кинетики набора ранней прочности взаимосвязана с ростом концентрации цемента в бетоне.

Сопоставление прочности квазисамоуплотняющихся составов при постоянном расходе цемента показало, что эффективность введения микрокремнезема в бетон также зависит от содержания цемента в бетоне.

В малоцементных составах с расходом цемента 150…210 кг/м3 введение микрокремнезема однозначно повышает прочность. Наибольший эффект получен при расходе цемента 150 кг/м3. В сравнении с контрольным составом с проектной прочностью 18,0 МПа за счет введения 2 % микрокремнезема прочность повысилась до 19,2 МПа, а при увеличении содержания микрокремнезема до 10 % от массы цемента прочность повысилась до 22,2 МПа, что составляет 23,3 %. Суммарное влияние применения 10 % микрокремнезема и 1,5 % суперпластификатора Glenium® ACE 430 выражается в приросте прочности бетона с 15,6 МПа до 22,2 МПа, что составляет 42 %.

При расходе цемента 330 кг в квазисамоуплотняющемся бетоне с суперпластификатором Glenium® ACE 430 увеличение содержания микрокремнезема от 0 до 10 % от массы цемента приводит к постепенному понижению прочности бетона с 71 МПа до 67,5 МПа, то есть составляет 4,9 %, что практически, при доверительной вероятности 95 %, можно признать статистически не значимым. В итоге применение 1,5 % суперпластификатора Glenium® ACE 430 и 10 % микрокремнезема в сравнении с контрольным немодифицированным бетоном также обеспечивает повышение прочности бетона на 42 %. Удельный расход цемента на единицу прочности в этом квазисамоуплотняющемся бетоне составляет 4,89 кг/МПа.

Рис. 2. Влияние содержания микрокремнезема (а – 2 %, б – 10 % от массы цемента) на кинетику твердения квазисамоуплотняющегося бетона модифицированного добавкой суперпластификатора Glenium® ACE 430; к – контрольные составы бетона без микрокремнезема

Влияние добавок суперпластификатора Glenium® ACE 430 и микрокремнезема на свойства бетона

В таблице приведены результаты исследования влияния добавок микрокремнезема и суперпластификатора Glenium® ACE 430 на формирование водоцементного отношения (В/Ц) и среднюю плотность бетона в сухом состоянии при различном содержании цемента.

Анализ формирования средней плотности бетона в сухом состоянии показывает, что она в значительной степени отражает установленные особенности формирования прочности исследованных составов. При расходе цемента 210 кг наибольшую среднюю плотность в сухом состоянии имеет состав № 8 с добавкой микрокремнезема 10 % и 1,5 % суперпластификатора Glenium® ACE 430. При расходе цемента 330 кг/м3 наибольшая средняя плотность была получена у состава № 2 с добавкой суперпластификатора. Состав бетона № 2 обеспечил наименьшее водоцементное отношение.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Влияние добавок микрокремнезема и суперпластификатора Glenium® ACE 430 на прочность тяжелого бетона и кинетику его твердения зависит от содержания цемента в бетоне.

2. Установлено, что повышение содержания добавки микрокремнезема до 10 % от массы цемента в нормальных условиях твердения в исследуемых пределах при содержании цемента 150 кг/м3 способствует приросту прочности бетона на 23 % за счет уплотнения его структуры. Общий эффект от применения 10 % микрокремнезема и 1,5 % суперпластификатора Glenium® ACE 430 выражается в повышении прочности бетона на 42 %.

3. При содержании цемента 330 кг/м3 повышение содержания микрокремнезема от 0 до 10 % постепенно снижает прочность бетона на 18 %. Модифицирование этого состава бетона добавкой Glenium® ACE 430 в количестве 1,5 % от массы делает влияние 10 % микрокремнезема на прочность статистистически не значимым в сравнении с контрольным составом без микрокремнезема. В сравнении с контрольным немодифицированным составом прочность бетона также повысилась на 42 %. Удельный расход цемента на единицу прочности в этом квазисамоуплотняющемся бетоне составляет 4,89 кг/МПа.

4. Отмечено повышение кинетики набора ранней прочности квазисамоуплотняющихся бетонов с добавкой Glenium® ACE 430 у составов с повышенным содержанием цемента.