Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы

К.т.н. Гилязидинова Н. В., Рудковская Н. Ю., Санталова Т. Н.

Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ монолитного БЕТОНА ДЛЯ ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Сегодня монолитный бетон широко используется при возведении подземных сооружений, а подземное строительство, благодаря целому ряду своих особенностей, предрасположено к использованию высокопрочных бетонов. Хотя прочность является, без сомнения важным, но не единственным определяющим фактором. Не менее важны водонепроницаемость и долговечность бетона, складывающиеся из стойкости к сульфатной агрессии и стойкости к выщелачиванию. Поэтому проблема разработки более стойкого бетона, способного противостоять этим явлениям, становится достаточно актуальной. В настоящее время в подземном строительстве в основном применяется тяжелый бетон на природных мелких и крупных заполнителях. Так же, актуальность проблемы заключается в том, что в Кузбасском регионе сложился дефицит качественных природных материалов для приготовления тяжелых бетонов, в связи с чем, наблюдается тенденция регулярного повышения цен. В то же время, на отвалах предприятий металлургической и энергетической промышленности Кузбасса, скопилось большое количество, ежегодно пополняемых отходов производства – металлургических и топливных шлаков, которые могут быть использованы как заполнители для бетона. Металлургические отвальные и гранулированные топливные шлаки являются для Кузбасса местными материалами, каждый обладает рядом достоинств и, поэтому, представляет интерес их совместное использование для получения эффективных бетонов, отвечающих требованиям подземного строительства.

Идея данной работы состоит в реализации активных свойств шлаков, обладающих скрытой гидравлической активностью, которая специальными технологическими приемами может быть использована для создания цементных бетонов, способных противостоять неблагоприятным условиям эксплуатации подземных конструкций.

В соответствии со СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции» рекомендуется применять в бетоне только кислые шлаки, модуль основности которых меньше единицы. Кузбасские шлаки содержат в своем составе от 37 до 39% СаО, их модуль основности 0,89, то есть они относятся к кислым и могут использоваться как заполнители для бетона, модуль гидравлической активности которых колеблется от 0,34 до 0,4. По способности в тонкоизмельченном состоянии подобно цементу взаимодействовать с водой, металлургические шлаки относятся к малоактивным и их твердение обеспечивается только в присутствии цементного клинкера. Данные шлаки по химическому составу приближаются к портландцементу, но при этом они содержат повышенное количество кремнезема, глинозема и меньше оксида кальция. Шлаковые заполнители не инертны, они в контактной зоне реагируют с родственными им цементами – это приводит к росту однородности и улучшению структуры бетона.

Известно, что большая часть монолитного бетона, используемого в строительстве подземных сооружений, укладывается и твердеет при пониженных температурах. Нормальные условия твердения бетона: температура +15-+20°С при относительной влажности 90-100%. Со снижением температуры выдерживания прочность бетона нарастает медленнее. Поэтому представляет интерес изучение сравнительного изменения прочности бетона на шлаковом щебне при различной температуре твердения, в частности при +5°С, характерной для подземного строительства. С этой целью были поставлены опыты, при которых образцы-кубы, изготовленные из бетона на шлаковых заполнителях различного состава с добавками ЛСТМ и ЛСТМ+СаСl₂, а также контрольные образцы из обычного тяжелого бетона, частично помещались в холодильную камеру и выдерживались в ней при температуре +5°С, а частично твердели в нормальных условиях при температуре +18°С, а также при термовлажностной обработке.

Установлено, что прочность бетона на смеси металлургических и топливных шлаков после пропаривания с достаточной степенью точности может быть принята равной 80% от проектной. Марочная прочность устанавливается в возрасте 28 суток после пропаривания или 45 суток нормального твердения.

Наиболее активно процесс нарастания прочности бетона на шлаковых заполнителях в нормальных условиях протекает в первые 5-7 суток. В эти сроки предел прочности шлакобетона на 5-10% выше аналогичных показателей обычного тяжелого бетона. В дальнейшем прирост прочности замедляется и в возрасте 28 суток составляет 92,5% от прочности пропаренного бетона.

Введение в состав бетона 2% СаСl₂, по данным нормативной литературы, обеспечивает нарастание прочности бетона при пониженных температурах до 75% от проектной прочности бетона, твердеющего в нормальных условиях. Фактическое нарастание прочности составило, по экспериментальным данным, для тяжелого бетона 75-87%, а для бетона на шлаковых заполнителях – 92-133%. Из вышесказанного видно, что шлаковые бетоны более эффективно использовать при пониженных температурах, чем известные виды бетона на природных материалах.

В ходе выполнения данной работы были проведены также исследования физико-механических характеристик бетона на шлаковых заполнителях. Зависимость прочности шлакобетона при сжатии от расхода цемента и состава мелкого заполнителя определялась на бетонной смеси подвижностью 2-4 см осадки стандартного конуса и подвижностью 5-9 см. Прочность исследуемого бетона, в зависимости от расхода цемента и водоцементного фактора, при оптимальном зерновом составе заполнителя составляет от 10 до 45 МПа, что позволяет использовать его в подземном строительстве.

Экспериментально доказано, что прочность шлакобетона при изгибе составляет 0,06-0,108, а при растяжении 0,045-0,063 от прочности при сжатии, что позволяет выполнять расчет конструкций по известным методикам.

В ходе проведенных исследований было установлено, что коэффициент стойкости шлакобетона при действии на него сульфатных сред составляет 0,92-1,4, а при действии слабокислых – 1,2-1,26, при нормируемом – 0,8. Следовательно, предлагаемый бетон может работать в условиях сульфатной и слабокислой агрессии.

Опираясь на полученные результаты, были определены зависимости прочности шлакобетона от состава мелкого заполнителя, расхода и вида цемента, водоцементного отношения, наличия химических добавок.

На основе чего были разработаны следующие технологические решения:

− оптимальное содержание мелкого заполнителя должно составлять 0,32-0,62 от общего расхода заполнителя;

− доля золошлаковой смеси в мелком заполнителе – 50-70%;

− для приготовления шлакобетона эффективно использование шлакопортландцемента. При этом для получения равнопрочного бетона его марка может быть снижена на порядок по сравнению с портландцементом;

− применение суперпластификатора ЛСТМ позволяет снизить расход вяжущего на 10-20% или увеличить подвижность бетонной смеси в 2-3 раза без снижения физико-механических характеристик бетона.

Ожидаемый экономический эффект от использования бетонов с отходами металлургической и энергетической промышленности Кузбасса заключается в снижении стоимости продукции за счет применения более дешевых материалов, а внедрение результатов исследований позволит существенно уменьшить отрицательное техногенное воздействие на окружающую среду за счет утилизации отходов и высвобождения земель для более эффективного их использования.

Литература

1. Дворкин, Л. И. Строительные материалы из отходов промышленности / Л. И. Дворкин. – Ростов н/Д : Феникс, 2007.

2. ГОСТ 9758-86. Заполнители пористые, неорганические для строительных работ. Методы испытаний.

3. ГОСТ 25592-91. Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условия.

4. ГОСТ 24211-2008. Добавки для бетонов и строительных растворов. Общие технические условия.

5. Гилязидинова Н. В. и Н. О. Таберт, М. И. Лейб. Пути повышения прочности бетона. Сборник научных трудов SWorld. Украина, 2014.

6. Гилязидинова, Н. В. и А. Н. Ильин. Use the slag concrete in building underground structures and mines. Modern scientific research and their practical application, Украина, 2014.

7. Угляница, А. В. и Т. В. Хмеленко, К. Д. Солонин. Slag-alkaline concrete –efficient building material International journal of applied engineering research. - Research India Publications, Volume 9, Namber 22, 2014, pp. 16837-16842.