Авторами произведены исследования свойств шлакощелочных бетонов на основе крупных заполнителей разных пород. Установлено, что доломитовые породы способствуют саморазрушению бетонов с течением времени за сет образования внутренних напряжений. Бетоны, полученные на основе гранитных пород в меньшей мере подвержены процессам саморазрушения.
Ключевые слова: шлакощелочное вяжущее, крупный заполнитель, гранит, доломит, наполнитель, саморазрушение, трещины.
Шлакощелочные и шлакоминеральные вяжущие и бетоны на их основе все более приковывают к себе внимание исследователей. Дело в том, что эти вяжущие позволяют получать бетоны с заданными свойствами как эксплуатационными, экологическими так и экономическими. В условиях неукоснительного роста стоимости 1м2 жилья и 1м2 автомобильных дорог шлакощелочные и шлакоминеральные вяжущие позволяют для различных регионов решить проблемы по существенному снижению себестоимости строительства. Относительно новые материалы не существенно изменяют общепринятую технологию производства бетонов. И это еще один плюс в пользу предлагаемых вяжущих.
Но на сегодняшний день практически нет результатов или их очень мало освещено в научной литературе о влиянии природы и химического состава крупного заполнителя на свойства бетонов на основе шлакощелочных и шлакоминеральных вяжущих.
Исходными материалами для производства тяжелых бетонов приняты: молотый граншлак новолипецкого металлургического комбината с удельной поверхностью 3250 см2/г; песок Сурский с модулем крупности Мкр=1,5; щебень доломитовый ивантеевского карьера фракции 5–20мм.и щебень гранитный Павловского карьера фракции 5–20мм; активатор твердения — кальцинированная сода и жидкое стекло (Ж.С); вода затворения — водопроводная, питьевая.
Образцы изготавливались в виде кубиков размерами 100×100×100мм в тройчатках. Бетонная смесь приготавливали как в смесители принудительного перемешивания объемом 20л, так и в вручную, с осадкой конуса 6–9 см.(П-2). После укладки бетонной смеси в формы она уплотнялась на лабораторной виброплощадке. Время уплотнения 10 с. Часть образцов после выдержки 2 часа на воздухе при температуре 200С и влажности воздуха 90 % подвергалась пропариванию в лабораторной автоматической камере по режиму 2+6+3 и температуре изотермической выдержки 850С. Остальная часть образцов твердела на воздухе в течение 7 суток и затем была погружена в воду. Составы предлагаемых бетонов для испытаний представлены в таблице.
Из результатов, представленных в таблице видно, что бетоны, изготовленные на доломитовом щебне после твердения в воде саморазрушились (рис 1). Их покрывала сплошная сеть трещин, в виде паутин разделяя каждую частицу крупного заполнителя от основного массива бетона. Когда образец пытались вынуть из воды, то легко отделялся щебень, а образец рассыпался, хотя до погружения в воду образец обладал прочностью 12,5 МПа. Совсем другая картина наблюдается при изготовлении бетонов на гранитном щебне.
Трещинообразование в бетоне образуются из-за усадочных деформаций. Оно может быть вызвано по [1] следующим механизмам усадки цементного теста: первичной, вторичной и длительной усадкой. Первичная усадка зависит от продолжительности схватывания, интенсивности испарения влаги, интенсивности снижения влажности в результате гидратации. Вторичная усадка определяется содержанием в бетоне щелочей, тонкости помола вяжущего. Длительная усадка происходит тем интенсивнее, чем быстрее происходит испарение влаги из бетона.
Рис. 1. Шлакощелочной бетон на доломитовом щебне
Таблица 1
|
№ п.п. |
Природа крупного заполнителя |
Расход материалов на 1м3, кг |
Р/Ш |
Плотность бетона, кг/м3 |
Прочность на сжатие, МПа в возрасте, сут. |
|||||||
|
шлак |
щебень |
песок |
Сода+Ж.С |
вода |
ТВО |
норм. твердение |
||||||
|
1 |
28 |
7 |
Водное твердение 3суток после твердения в норм условиях 7суток |
|||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
|
1 |
доломитовый |
377 |
1032 |
716 |
37,7 |
132 |
0,35 |
2310 |
17,2 |
21,4 |
12,5 |
разрушились |
|
2 |
гранитный |
388 |
1182 |
738 |
38,8 |
136 |
0,35 |
2350 |
19,6 |
23,9 |
10,3 |
20,9 |
Образование кластерных структур на начальных этапах структурообразования высококонцентрированных дисперсных систем приводит к анизотропии начальных усадочных деформаций. Появление трещин полностью изменяет распределение усадочных деформаций в бетоне по объему [2].
Условия твердения шлакощелочного бетона на основе гранитного щебня идентичны условиям твердения бетона на доломитвом щебне. Бетон не разрушился при твердении в воде. Прочность образцов бетона в возрасте 28 суток составляла 23,9 МПа, что на 12,55 % меньше прочности бетона, прошедшего ТВО.
Такое поведение бетона с доломитовым заполнителем объясняется образованием MgCO3 на поверхности заполнителя в результате взаимодействия окиси магния и раствора соды. Реакция идет по схеме
Mg(OH)2+Na2CO3= MgCO3+2Na(OH)
Внутреннее напряжение разрывает сплошность среды, что и приводит к саморазрушению образца, хранившегося в воде за счет увеличения объема образовавшихся продуктов. Таким образом, применение доломитового заполнителя не всегда приемлемо при приготовлении бетонов на шлакощелочных и шлакоминеральных вяжущих, а также и на портландцементе.
В результате действия возникающих растягивающих напряжений в микроструктуре цементного камня привело к образованию микротрещин в матрице структуре бетона. Высокая водо связывающая способность щелочного компонента, обусловливает неравномерное распределение влажности по объему образца, что особенно влияет на образование трещин скорость испарения влаги.
Все бетоны обладают высокими показателями рН среды. Рекомендуем разработать ГОСТ на возможность применения доломитовых заполнителей для бетонов на основе шлакощелочных и шлакоминеральных вяжущих.
Проведенные нами эксперименты показали, что возможно устранить причины реакционного характера взаимодействия высокощелочного цементного камня с заполнителем за счет введения в состав вяжущего модификаторов структуры.
В качестве модификатора структуры шлакоминенральных и шлакощелочных бетонов рекомендуется применять тонкомолотые добавки-наполнители. Однако встает вопрос о величине оптимальной удельной поверхности этого наполнителя. Наполнитель способствует процессу формирования новообразований и в тоже время является демпфером внутренних напряжений.
При оптимальной концентрации и дисперсности наполнителя образуется мелкозернистая структура вяжущего, так как наполнитель логически можно отнести к основному вяжущему. Такой комплекс благоприятно отражается на технических свойствах растворной части бетона и, в конечном счете, на самом искусственном камне. При введении наполнителя в систему «вяжущее — затворитель» скорость твердения и прочность возрастают до тех пор, пока все зерна наполнителя остаются окруженными продуктами гидратации.
Роль наполнителя — обеспечение высоких реологических параметров растворной части за счет правильного подбора вида гиперпластификатора, способа его введения в систему, соотношения между вяжущим и наполнителем. Искусственный камень бетона характеризуется максимальной адгезией между вяжущим и заполнителем, минимальной пустотностью.
В качестве наполнителей использовали микрокремнезем, молотые пески, гранитную пыль, метакаолин и каолин. Степень наполнения системы составляет 6- 10 % массы вяжущего, удельная поверхность 3800–15000см2/г. При избытке наполнителя с высокой дисперсностью зерен возникают участки с большими внутренними напряжениями. По мере роста кристаллов такие зоны способствуют образованию трещин и другим нарушениям однородности микроструктуры.
Особой и «наукоемкой» задачей, стоящей перед современным материаловедением является создание бетонов с максимальным использованием техногенного, некондиционного сырья и продуктов переработки. Забота о сохранении природных ресурсов и окружающей среды, экономном использовании энергии стимулирует эту деятельность. Достоинством щлакощелочного бетона является рециркулируемость. После окончания срока его эксплуатации, он может использоваться в качестве заполнителя при изготовлении нового бетона и при строительстве дорог.
Литература:
1. Alon F., Ferraris C. F., Wittmann F. H. Etude Experimentale du Retrait du Beton. Experimental studies of concrete shrinkage. //Mater. and Struct. -1987. -№ 119. -pp.323–333
2. Выровой В. Н. Механизм усадки твердеющих и затвердевших композиционных строительных материалов. // Технологическая механика бетона: Сб. науч. тр. -Рига: РПИ, 1985. -С.22–27.
3. Красильников К. Г., Никитина Л. В., Скоблинская Н. Н. Физико-химия процессов расширения цементов //Сб. тр. VI Международного конгресса по химии цемента. Т.III. -М., 1976. -с.60–69.
4. Романенко И. И., Романенко М. И., Пинт Э. М. Деформации цементного камня, приводящие к образованию поверхностных трещин. // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова», № 4, 2012г, г. Белгород Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова», № 4, 2012г., г. Белгород. -с.23–33.
