Cтpyктypa и свойства конструкционного керамзитобетона с добавкой суперпластификатора

Одним из направлений рационального использования цемента в строительстве является широкое применение смешанных вяжущих, содержащих в своем составе повышенные дозировки активных минеральных добавок. Особое внимание среди минеральных добавок к цементам привлекают цеолитсодержащие породы (ЦСП). Эффективность таковых с высоким содержанием цеолитов показана в ряде работ [1, 2]. Однако возможность применения ЦСП с относительно малой долей цеолитового минерала изучена недостаточно. Отличительной особенностью смешанных вяжущих с использованием ЦСП является повышенная водопотребность, что вызывает необходимость использования пластификаторов [2, З].

В данной статье приводятся результаты экспериментальных исследований влияния добавки суперпластификатора С-3 на структуру и физико-механические свойства керамзитобетона марок 200-300, изготовленного на основе смешанного вяжущего из смесей с осадкой конуса от 5 до 15см. Применение суперпластификаторов, как следует из результатов ранее выполненных исследований [4, 5], особенно эффективно в легких конструкционных бетонах, изготовляемых из пластичных смесей и отличающихся высокими расходами цемента.

В эксперименте использовалось смешанное вяжущее, полученное путем домола портландцемента марки 400 Ульяновского завода совместно с природной минеральной добавкой - цеолитсодержащей породой Татарско-шатрашанского месторождения Республики Татарстан и суперпластификатора С-3 до удельной поверхности 415 м²/кг. Такой способ приготовления вяжущего позволяет активизировать не только клинкерную часть, но и активную минеральную добавку как за счет повышения дисперсности вяжущего с 285 до 415 м²/кг, так и за счет аморфизации силикатной фазы цеолитсодержащей породы при совместном измельчении ее с добавкой суперпластификатора.

Активная минеральная добавка содержит в своем составе (мас. %):
  клиноптилолит - 19;
  кальцит - 18;
  кварц - 7;
  активный кремнезем - 30;
  глинистые и гидрослюдистые минералы - 26.

Химический состав цеолитсодержащей породы, по массе %:
  SiO₂ - 54,58;
  CaO - 17,94;
  TiО₂ - 0,26;
  Аl₂О₃ - 5,27;
  Fe₂О₃ - 0,08;
  MgO -1,12;
  Na₂O - 0,19;
  K₂O - 0,74;
  P₂O₅ - 0,04;
  ппп -19,78.

Модуль основности этой породы (М_o) находится в пределах 0,26-0,31, что позволяет отнести ее к группе кислых пуццолановых добавок. Модуль активности (М_а) ЦСП находится в пределах 0,08-0,14, что также свидетельствует о высокой активности добавки. Как показали исследования гидравлической активности ЦСП по определению пуццолановой активности проб методом поглощения CaO из водной вытяжки цемента (ГОСТ 25094-94), ЦСП относится к эффективным минеральным добавкам и активно вступает во взаимодействие с гидроксидом кальция. Несмотря на малое содержание в породе клиноптилолита, ее пуццолановая активность оказалась выше, чем у диатомита. В целом по результатам эксперимента следует, что активными компонентами породы являются не только клиноптилолит и опалкристобалит, но и монтмориллонит.

В качестве заполнителей использовались речной кварцевый песок с модулем крупности 2,7 и керамзитовый гравий фракции 5-20 мм со средней плотностью 500 кг/м³ и прочностью при испытании в цилиндре 2,5 МПа.

Приготовление керамзитобетонной смеси осуществлялась в лабораторном бетоносмесителе. Из керамзитобетонной смеси заданного состава формовались образцы-кубы с ребром 15 см, которые пропаривались при 90°С по режиму 3+2+8+2 ч. Часть образцов испытывалась через 4 ч после окончания пропаривания, остальные через 28 сут последующего нормального хранения. Оптимизация состава керамзитобетона с добавкой суперпластификатора производилась при помощи четырехфакторного почти D-оптимального плана второго порядка. В качестве независимых переменных определен расход вяжущего (X₁ = 300, 450, 600 кг/м³), расход керамзита (Х₂ = 600, 750, 900 л/м³), удобоукладываемость керамзитобетонной смеси (Х₃ = 5, 10, 15 см) и содержание добавки С-3 (Х₄ = 0; 0,3; 0,6 % от массы вяжущего).

В результате реализации планируемого эксперимента по специальной программе с помощью персонального компьютера получены математические модели формирования прочности легкого конструкционного бетона (R.28, МПа) и его средней плотности (Y, кг/м³) следующего вида:

R.28 = 27,1+4,4⋅X₁ - 1,25⋅X₂ - 0,5⋅X₃ + 1,9⋅X₄ - 3,1⋅X₁² - 2⋅Х₁⋅Х₂ + 1,07⋅X₁⋅X₄ - 1,17⋅Х₃Х₄   (1)

Y = 1714 + 17⋅X₁ - 81⋅X₂ - 8⋅Х₃ + 18⋅Х₄ - 24⋅X₁² + 38⋅X₄² - 20⋅Х₁Х₂ + 9⋅Х₁Х₄ - 23⋅Х₂Х₄   (2)

Анализ полученных моделей и результатов активного эксперимента позволил установить, что эффективность действия суперпластификатора в керамзитобетоне на смешанном вяжущем в условиях данного эксперимента возрастает с увеличением удобоукладываемости бетонной смеси, и особенно значительно - с увеличением содержания крупного заполнителя. По результатам этого эксперимента определены оптимальные составы легкого бетона марок 200, 250 и 300 как с добавкой, так и без добавки, анализ которых показывает, что на эффективность применения добавки суперпластификатора в количестве 0,6 мас. % смешанного вяжущего оказывает влияние прежде всего содержание керамзита. Для всех исследуемых марок бетона наибольшее снижение расходов смешанного вяжущего (20-25%) достигается при максимальном содержании керамзита.

Добавка С-3 повышает плотность керамзитобетона на данном виде вяжущего и, как следует из уравнения регрессии (2), приводит к некоторому увеличению средней плотности бетонной смеси и затвердевшего бетона при всех фиксированных расходах вяжущего и керамзита. В оптимальных составах бетонов марок 200-300 в присутствии добавки наблюдается снижение средней плотности легкого бетона за счет уменьшения расхода вяжущего.

Реологические исследования смешанного вяжущего показали, что введение ЦСП в его состав увеличивает эффективную вязкость в 1,7-2 раза при равных В/В отношениях, Величина эффективной вязкости зависит при этом от скорости сдвига. Изменение эффективной вязкости от скорости сдвига в тесте на смешанном вяжущем проявляется в большей степени, чем в портландцементном. Введение пластификаторов в состав смешанного вяжущего при его помоле, как и следовало ожидать, снижает вязкость цементного теста при всех скоростях сдвига, но вместе с тем вязкость цементного теста при различных значениях В/Ц все-таки остается выше, чем теста на обычном портландцементе. Поэтому керамзитобетонная смесь на этом виде вяжущего при высоких значениях подвижности обладает хорошей связностью, однородностью и не расслаивается при формовании.

Изучение особенностей фазового состава продуктов гидратации смешанного вяжущего методами ДТА, РФА, ИКС и электронной микроскопии показало, что ЦСП приводит к увеличению объемной концентрации гидратных новообразований как за счет повышения степени гидратации клинкерных зерен, так и за счет взаимодействия Са(ОН)₂ с активными компонентами породы. Благодаря высокой гидравлической активности ЦСП в условиях пониженной концентрации СаО в жидкой фазе образуются, главным образом, низкоосновные гидросиликаты кальция, кристаллизующиеся в присутствии суперпластификатора преимущественно в мелкодисперсном виде в форме игл и волокон.

Список литературы
  1. Гальперина Т.Я., Вертопряхова Л.А., Соловьева И.А. и др. Применение цеолитизированных пород Шивыртуйского месторождения в производстве цемента // Цемент. 1992. №4, С.79-82.
  2. Полюдова С. В., Коломиец В. И., Солома тов В. И. Цементоцеолитовые композиты // Известия вузов. Строительство. 1995. №3, С.41-46.
  3. Изотов B.C., Морозова Н.Н. Смешанное вяжущее для бетонов, твердеющих при пропаривании // Строит, материалы. 1998. №12, С.19-20.
  4. Изотов В. С. Структура и свойства конструктивного керамзитобетона с добавкой водорастворимого сульфированного олигомера // ВНИИЭСМ. 1988. Вып.8. №1592, С.4-5.
  5. Изотов В. С. Свойства бетонов, модифицированных водорастворимыми полимерами // Сб. трудов "Композиционные строительные материалы". Саратов: СПИ, 1990. С.58-60.

Источник: Журнал "Строительные материалы", январь 2001г., №1