Строительство и архитектура/ 4.Современные строительные материалы

к.т.н. Валиев Д.М., аспирант Макаров П.В., д.т.н. Калашников В.И.

ООО «ВНИИСТРОМ-НВ», Россия

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, Россия

Оптимизация составов пропариваемых песчаных бетонов порошковой активацией

Улучшение качества изделий, снижение их материалоемкости и стоимости является очевидной необходимостью современного строительства. Так например, использование в составах бетонов песков, взамен щебня является более выгодным решением, так как во многих регионах нет собственных месторождений щебня. Но песчаные бетоны не находят широкого применения в производстве в связи с высоким потреблением цемента, особенно при иcпользовании мелких песков. Расход цемента в бетонах марок М400 — М500 на мелких песках составляет 400–500 кг. Соответственно, для обычных бетонов удельный расход цемента на единицу прочности составляет 10–14 кг на 1 МПа.

В мировой практике уже разрабатываются бетоны нового поколения, позволяющие получать не только высокие прочности бетонов, но и достигать низкого удельного расхода, равного 4–6 кг/МПа. Под термином «бетоны нового поколения» следует понимать бетоны высокой плотности, прочности с новой рецептурой и новым структурно-топологическим строением [1]. Макроструктура и микроструктура в таких бетонах оптимизированы за счет точной градации всех частиц в смеси для получения максимальной плотности [2].

В данном исследовании была поставлена задача определения минимального удельного расхода цемента на единицу прочности.

Для выявления минимального удельного расхода цемента на единицу прочности в порошково-активированных мелкозернистых пропаренных бетонах (ПАМБ) был проведен эксперимент.

В ходе исследований при изготовлении бетонов использовался липецкий шлакопортландцемент ШПЦ 400 Д33 (Ц), песок кварцевый молотый (П_м), песок тонкий фракции 0,16–0,63 мм (П_т), отсев ПГС 0,63–5,00 мм (П_з) и гиперпластификатор ХИДЕТАЛ-ГП- 9-γ. В некоторых составах использовался липецкий микрокремнезем (МК). Использовались следующие режимы тепловлажностной обработки (ТВО): 2ч+44мин+5ч+2ч, 2ч+1ч+5ч+2ч, 2ч+1ч27мин+5ч+2ч, 2ч +2ч+5ч+2ч, с изотермией 60, 70, 80, 90, соответственно. Образцы хранили в камере нормального твердения в течении 28 сут., а испытывали через 1-е, 7-е, и 28-е сут. Для определения прочности пропаренных образцов их испытывали через 24 ч с момента изготовления и после последующего хранения в течение 28 сут.

Было изготовлено четыре состава (табл. 1) с отношениями суммарной

Таблица 1. Результаты испытаний ПАМБ с различными соотношениями молотого песка к цементу

Наименование показателей	Наименование состава
	1	2	3	4
Расход цемента, кг/м^3	265	387	432	516
Расход молотого песка, кг/м^3	408	248	238	139
Расход воды, л/м^3	188	151	155	181
Расход микрокремнезема, кг/м^3	27	39	42	52
Rизг, на 28 сут. при НУ, МПа	8,5	11,0	11,4	12,1
Rизг, на 1 сут. после ТВО, МПа	7,9	12,4	13,1	12,4
Rсж, на 28 сут. после ТВО, МПа	37,8	86,0	84,7	71,7
Ц/Rсж на 28сут., кг/МПа	7,0	4,5	5,1	7,2
Плотность теоретическая, кг/м^3	2372	2419	2400	2394
Плотность фактическая, кг/м^3	2205	2255	2270	2254

массы цемента и молотого песка к массе тонкого песка и к массе песка-заполнителя, равными, соответственно, 1:0,8:1,4. Во всех составах расход микрокремнезема составлял 10 % от массы цемента, расход гиперпластификатора ХИДЕТАЛ-ГП-9-γ — 9 % от массы цемента. Водотвердое отношение для смеси 2 составило 0,076, для смесей 1, 3, 4 — от 0,082 до 0,088. Диаметр расплыва бетонной смеси из конуса Хегерманна для смеси 2 составил 10,3 см, для смесей 1, 3, 4 — от 12,4 до 12,8 см. Изотермическая выдержка производилась при температуре 90 °С.

Графики зависимости удельного расхода цемента на единицу прочности от расхода цемента после ТВО на 1-е и на 28-е сут. приведены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость удельного расхода цемента на единицу прочности от расхода цемента после тепловлажностной обработки (ТВО) на 1-е и 28-е сут.

Значения эмпирических коэффициентов приведены в табл. 2.

Данный эксперимент позволяет сделать вывод, что минимальный удельный расход цемента на единицу прочности после ТВО 4,5 кг/МПа наблюдается при расходе цемента 387 кг/м³ в составе 2, а наивысшая плотность 2270 кг/м³ — при расходе цемента 432 кг/м³ в составе 3. Из графика видно насколько значительно снижение удельного расхода цемента на единицу прочности в составе 2, обеспечиваемого за счет сниженного расхода воды.

Таблица 2. Значения эмпирических коэффициентов

Составы бетонов	a	b	c
Нормальное твердение	27,26	-0,11	0,00014
Тепловлажностная обработка	28,17	-0,12	0,00016

С целью исследования влияния режима ТВО на прочность пропариваемого порошково-активированного мелкозернистого бетона, с оптимизированным расходом цемента, был выполнен следующий эксперимент. Образцы состава 2 пропаривались при температуре 60, 70, 80 и 90 °С.

Из табл. 3 по приросту прочности на сжатие на 1-е сут. видно, что наивысшая прочность в состава 2 достигнута при температуре 80 °С. О

Таблица 3. Результаты испытаний бетона состава 2 при различных температурах изотермической выдержки

Наименование показателей			Нормальные условия твер-дения T = 20 °C	Температура изотермии с длительностью 5 ч, °C
				60	70	80	90
Разность начальной и конечной температуры разогрева бетона, °С			—	40	50	60	70
Прочность при сжатии, МПа	Сроки испытания, сут	1	31,4	62,8	74,4	92,2	76,6
		7	65,6	70,2	77,2	94,0	82,6
		28	104,6	72,0	80,1	99,0	84,2
Коэффициент эффективности при пропаривании			—	0,60	0,71	0,88	0,73
Ц/Rсж на 28 сут., кг/МПа*			3,7	5,4	4,8	3,9	4,5

наиболее интенсивном наборе прочности этого состава при данной температуре свидетельствует рис. 2. Следовательно, состав на шлакопортландцменте, следует пропаривать при повышенных температурах 80 °С с изотермической выдержкой 5 ч, позволяющей достичь коэффициента эффективности при пропаривании 0,88 [3].

ПАМБ отличаются высокой прочностью при сжатии, однако, при изготовлении предварительно-напряженных несущих конструкций важное значение приобретает усадка бетона. Деформация усадки определялась по стандартной методике ГОСТ 24544–81.

Усадка ПАМБ с соотношением компонентов Ц:П_м:П_т:П_з:МК = 1:0,71:1,38:2,46:0,1 при нормальных условиях твердения составила 0,40 мм/м, а после ТВО — 0,37 мм/м, что существенно ниже по сравнению с усадкой традиционных песчаных бетонов. При этом водопоглощение через 180 суток по массе образцов воздушно-сухого состояния было 1,58 % и 2,16 %, соответственно при начальных условиях и ТВО.

Рис. 2. Скорость набора прочности порошково-активированного мелкозернистого бетона состава 2 при различных условиях твердения

Выводы

Введение реакционно-активных кремнеземистых добавок и реологически-активных дисперсных наполнителей позволяет достигнуть повышенной прочности малоцементных бетонов и довести ее до прочности щебеночных бетонов старого поколения или существенно превысить ее. Оптимизированный состав бетона позволил добиться низкого удельного расхода цемента на единицу прочности — 3,7 кг/МПа при нормальных условиях твердения и 3,9 кг/МПа после ТВО, что значительно ниже, чем у современных щебеночных бетонов с повышенным расходом цемента. Немаловажным является то, что после тепловлажностной обработки коэффициент эффективности пропаривания превышает 0,7 и достигает 0,93, что важно для заводской технологии.

Литература:

1. Калашников В.И., Терминология науки о бетоне нового поколения // Строительные материалы. 2011.№3. С. 103–106.

2. Садрекареми А., Развитие легковесных реакционно-порошковых бетонов // Журнал о современных технологиях бетона. Япония. 2004. №3. С.409–417.

3. Рекомендации по тепловой обработке тяжелого бетона с учетом активности цемента при пропаривании // НИИЖБ Госстроя СССР, Москва, 1984.