Эффективные мелкозернистые карбонатные бетоны


В. В. Белов, П. В. Куляев










ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ КАРБОНАТНЫЕ БЕТОНЫ

Монография



Под общей редакцией профессора В. В. Белова
















Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2022

УДК 691.3
ББК 38.5
     Б43



Рецензенты:
член-корреспондент РААСН доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительства, строительных материалов и конструкций Тульского государственного университета Трещев А. А.;
доктор технических наук, профессор кафедры конструкций и сооружений Тверского государственного технического университета Субботин С. Л.


     Белов, В. В.
Б43       Эффективные мелкозернистые карбонатные бетоны : монография /
     В. В. Белов, П. В. Куляев ; под общ. ред. проф. В. В. Белова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 136 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0885-1

     Описаны способы создания эффективного мелкозернистого карбонатного бетона с повышенной трещиностойкостью и эффективностью на основе отходов дробления карбонатных пород. Описаны математические модели зависимостей коэффициента трещиностойкости, предела прочности на сжатие и мгновенных деформаций от соотношения наполнителя к цементу, расхода суперпластификатора СП-1 и тонкого наполнителя. Показано решение проблемы повышенного расхода цемента путем использования отсевов дробления известняка, подвергнутых совместному помолу с суперпластификатором.
     Для специалистов строительного профиля, преподавателей вузов, студентов строительных специальностей.

                                                           УДК 691.3
                                                           ББК 38.5








ISBN 978-5-9729-0885-1

     © Белов В. В., Куляев П. В., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            ВВЕДЕНИЕ



    В настоящее время все более широкое применение находят МЗКБ, получаемые на основе отходов дробления карбонатных пород при производстве щебня, ввиду их повышенных экономических и экологических показателей. На повестке дня - создание композитов, свойства которых диктуются конкретной областью их применения, и научное обоснование способов и приемов получения этих свойств в виде конкретных технологических решений. Сфера сверхтонких технологий - одна из перспективных областей материаловедения, предлагающая широкий ряд технологических решений с до настоящего времени неизвестными и уникальными возможностями. Разработка порошковых технологий -наиболее бурно развивающаяся область науки о строительных материалах, позволяющая создавать материалы с недостижимыми ранее свойствами посредством модифицирования данных свойств. Это и управление качеством монолитного бетона, и создание сверхпрочного композита с высоким уровнем тре-щиностойкости, морозостойкости и сопротивления износу - критерию долговечности и надежности строительных материалов и конструкций. В связи с этим возникает задача поиска наиболее экономически обоснованных и экологически безопасных способов создания таких ультрадисперсных систем с использованием местных материалов (известняка) и разработки методов активации компонентов композитов. Применение ультрадисперсных карбонатных комплексных модификаторов позволяет эффективно управлять физикомеханическими характеристиками и через них технологическим качеством создаваемых композитов, с адаптацией к тем или иным условиям их применения на практике.
    Высокое качество карбонатных бетонов обеспечивается стабильностью и оптимальностью гранулометрического состава заполнителей, и их физикомеханическими и химическими свойствами. Важнейшую роль играют различные добавки, модифицирующие технологические составляющие смеси карбонатных бетонов. Следует отметить, что за рубежом, в том числе в Германии, Франции, странах Азии (Палестина, Ливан, Алжир, Сирия и др.), технологии комплексного применения местных минеральных компонентов для создания бетонов с заданными свойствами за последние двадцать лет существенно продвинулись вперед. Примером может служить дозированное использование тонкодисперсного известнякового компонента совместными алжиро-французскими технологическими лабораториями для создания кислотостойких композитов, применяющихся в подводном морском строительстве, с высокими эксплуатационными свойствами, такими как долговечность. Вместе с тем на многих со-

3

временных производствах задача улучшения технико-эксплуатационных и экономических показателей используемых бетонов за счет применения более дешевого местного карбонатного сырья представляется практически нереализуемой. Причина тому - тенденции к консервативному использованию традиционных технологий и устаревание действующих производственных мощностей, не говоря уже о необходимости увеличения объема выпуска аналогичных и более доступных и дешевых материалов в глобальном масштабе.
    Для решения данных проблем необходимо совершенствовать существующие технологии и внедрять новые, проектировать современные составы карбонатных бетонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Этого можно достичь за счет применения модифицирующих добавок и оптимальной гранулометрии, а также путем использования более дешевого вторичного сырья.
    Проблеме разработки составов бетонов с карбонатными заполнителями и наполнителями посвящены работы многих исследователей [98, 99]. Разработаны составы композитов на основе цементов низкой водопотребности с высокими физико-механическими характеристиками, включающие карбонатный тонкодисперсный наполнитель. Было показано, что добавление его в смесь выполняет как структурно-реологическую функцию, так и матрично-наполняющую [99]. Выявлены достоинства таких композитов: высокая технологичность, связанная с наличием в составе суперпластификатора и функционального наполнителя; нерасслаиваемость; длительные сроки хранения и ускоренное твердение. Изучались вопросы повышения эксплуатационных свойств цементных бетонов. Установлено, что эксплуатационная надежность - это комплексное понятие, обозначающее сочетание критериев прочности, надежности и долговечности [112]. Совместное использование тонкодисперсного известнякового наполнителя и суперпластификатора аккумулирует воду, интенсифицируя процесс гидратации, способствуя формированию более однородной и прочной структуры контактного слоя между заполнителем и связующим МЗКБ, способной сопротивляться образованию и развитию трещин, что ведет к повышению трещиностойкости и снижению деформаций ползучести МЗКБ и повышает его эффективность.
    Целью монографии является описание способов создания эффективного МЗКБ с повышенной трещиностойкостью и эффективностью на основе отходов дробления карбонатных пород.
    Обоснована возможность повышения эффективности МЗКБ за счет использования отсева дробления карбонатных пород, подвергнутых механической активации с целью получения тонкодисперсного известнякового наполнителя. При введении в бетонную смесь совместно с суперпластификатором СП-1 наполнитель способствует уплотнению цементного камня и упрочнению кон-4

тактной зоны между цементным камнем и заполнителем, аккумулирует часть воды затворения, увеличивая степень гидратации цемента и способствуя образованию гидро-карбоалюминатов кальция. Для оценки способности МЗКБ сопротивляться трещинообразованию предложен новый коэффициент, получаемый как соотношение квадратов напряжения начала трещинообразования и предела прочности на сжатие. Описаны математические модели зависимостей коэффициента трещиностойкости, предела прочности на сжатие и мгновенных деформаций от соотношения наполнителя к цементу, расхода суперпластификатора СП-1 (в процентах от массы цемента) и тонкого наполнителя (в процентах). Данные модели позволяют оптимизировать расходы наполнителя и суперпластификатора по технологическим и эксплуатационным свойствам, повысить трещиностойкость и снизить уровень деформаций. Это подтверждает эффективность использования отсевов дробления карбонатных пород.
    Предложен эффективный МЗКБ с улучшенными эксплуатационными свойствами на основе отходов дробления известняка, включающий тонкодисперсный известняковый наполнитель в количестве от 10 до 50 % и суперпластификатор СП-1 в количестве 0,75 % от массы цемента. Значения коэффициента трещиностойкости Кт повышаются в среднем на 30-50 %, а уровень деформаций ползучести снижается на 30-60 %.
    Обоснована возможность снижения себестоимости производства МЗКБ на 15-30 % за счет использования отходов дробления карбонатных пород.
    Авторы выражают искреннюю признательность члену-корреспонденту РААСН, доктору технических наук, профессору, заведующему кафедрой «Строительство, строительные материалы и конструкции» Тульского государственного университета А. А. Трещеву и доктору технических наук, профессору кафедры «Конструкции и сооружения» Тверского государственного технического университета С. Л. Субботину за полезные замечания по содержанию данного издания.

5

ГЛАВА 1


            СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ СТРУКТУР И СВОЙСТВ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ
            КАРБОНАТНЫХ БЕТОНОВ


        1.1. Применение карбонатного сырья в технологии бетона

   Карбонатные породы широко распространены в природе и используются в качестве местного сырья, что способствует развитию на их основе производства активных минеральных добавок бетона. В настоящее время расширяется производство местных строительных материалов и изучаются пути улучшения свойств бетонов. Кроме того, в последнее время все большее внимание в строительном материаловедении уделяется так называемым многокомпонентным, полиморфным системам, при проектировании которых основная задача заключается в выборе недорогого и доступного сырья. Известняковые заполнители и наполнители, тонкодисперсные порошки-модификаторы являются незаменимыми компонентами карбонатного бетона на всех стадиях его получения. Карбонатные породы содержат в основном углекислый кальций (кальцит). Известняки состоят из кристаллов кальцита различных размеров: это крупные включения, грубодисперсные, ультра- и нанодисперсные порошки. Для наполнителя бетона в качестве минеральной добавки предпочтительны породы с постоянным химическим составом и однородной мелкокристаллической структурой. Ввиду полидисперсности карбонатных пород известняк применяют и как крупный заполнитель, и как средний и мелкий наполнитель в производстве МЗКБ.
   Использование карбонатных тонкодисперсных наполнителей в составе мелкозернистого бетона приводит к улучшению его физико-механических свойств, поскольку тонкомолотые минеральные известняковые добавки повышают прочность, морозостойкость, водонепроницаемость, химическую стойкость бетона [1, 3]. Функциональное использование известняка в карбонатном композите схематично можно представить следующим образом (рис. 1.1).


6

Рис. 1.1. Три вида функционального использования известняка в карбонатном композите

     Каждый из трех случаев (см. рис. 1.1) использования известнякового наполнителя характеризуется своим специфическим набором свойств [4]: предполагается, что известняковый наполнитель как наполнитель в цемент не повышает водопотребность, если не используется совместно с водоредуцирующими добавками, и не оказывает негативного влияния на долговременную прочность и деформативность. Последний эффект на данный момент мало изучен. В качестве наполнителя - добавки в цемент известняковый мелкодисперсный компонент призван удовлетворить техническим, экономическим и экологическим требованиям, таким, например, как повышение ранней прочности, регулирование подвижности теста при пониженном содержании цемента в вяжущей части и низкая чувствительность к технологическим способам ухода в период набора прочности. Следует отметить, что в европейских нормах ENV197-1 установлено предельное процентное содержание известнякового компонента в вяжущей части (до 5 %), хотя они позволяют повышать это число до 35 % при условии, что оставшаяся часть вяжущего - исключительно портландцемент. Европейская кодификация известнякового портландцемента -CEM II/B-L и CEM II/B-LL.
     При повышенном содержании известняка в вяжущей части оговаривается также и чистота самого известнякового компонента, который, согласно указанным нормам, должен состоять не менее чем на 75 % от общей массы из карбоната кальция (CaCO3). В качестве добавки в бетонную смесь известняковый порошок выполняет роль микро-наполнителя, замещающего частицы цемента, что не сказывается отрицательно на ранней прочности при содержании известняка от 10 до 30 % по массе. В целом применение тонкомолотого известняка в качестве добавки в бетон не только экономически обосновано,

7

но и, как показали работы Nehdi [5], повышает вязкость и снижает текучесть бетона, действуя как замещающая тонкий наполнитель по массе фракция.
    В целях анализа и исследования роли известнякового компонента как части вышеуказанных фаз карбонатного композита были проведены независимо друг от друга исследования согласно программам, в которых известняк выступал в качестве:
    а) компонента вяжущего,
    б) компонента МЗКБ,
    в)      регулятора трещиностойкости, деформативных и прочностных свойств карбонатного бетона, результаты которых изложены ниже.
    В работе [1] повышение физико-механических и эксплуатационных свойств мелкозернистых бетонов отмечается в том случае, если суммарная поверхность клинкерных частиц вяжущего в единице массы смеси соответствует суммарной поверхности частиц портландцемента без тонкомолотых добавок, где тонкомолотая добавка представлена более крупными частицами, а клинкерная часть - более мелкими. Но эту слишком тонкую пропорцию сложно оценить без соответствующих опытов. Рост прочности в контактной зоне клинкерного зерна и минеральной частицы может объясняться по-разному: и адгезионным сцеплением карбонатных заполнителей, и эпитаксиальным срастанием, наиболее интенсивным при наличии химического сродства как по катиону, так и по аниону. Согласно [2] прочность на отрыв цементного камня от различных известковых пород колеблется в пределах от 0,2 до 2,5 МПа. Наименьшая прочность сцепления цементного камня отмечается с кварцем, а наибольшая - с карбонатными породами при хранении в воде (без автоклавной обработки). Последнее говорит в пользу частичного взаимодействия на ионном уровне микрочастиц кальцита, с элементами адсорбции, хемосорбции и поликонденсации, в отличие от более инертных и твердых силикатных пород. Данное химическое взаимодействие происходит между карбонатным заполнителем и продуктами гидратации цемента, что обусловливает самоуплотнение контактной зоны при использовании карбонатных добавок и песков. Таким образом, контактная зона выступает как самостоятельный элемент структуры бетона и играет существенную роль в повышении трещиностойкости, прочности, водонепроницаемости, морозостойкости и химической стойкости бетона, а карбонатный наполнитель выполняет функцию регулятора микропроцессов коагуляции в контактной зоне. Следующая диаграмма (рис. 1.2) увязывает макро-, мезо- и микроструктуры карбонатного компонента бетона и показывает разнообразие методов и форм использования известняка в производстве бетонов нового поколения.

8

    Диаграмма иллюстрирует широкий спектр использования известнякового компонента, свойства которого, через влияние на показатели качества создаваемого на его основе монолита, во многом определяются степенью дисперсности и вариантами технологии, наряду с комбинацией с другими составляющими связующего бетона, тем самым давая возможность оценить уровень модификации конечных свойств карбонатного бетона. При применении карбонатного тонкодисперсного порошка реализуются физико-химические процессы взаимодействия последнего с клинкером. В частности, С. С. Гордоном и Р. С. Чеховым [6] установлено, что адгезионное сцепление со срастанием цементного камня обнаружено только с карбонатными заполнителями из семи исследованных минералов. С. С. Гордон указывает на четыре составляющих сопротивления выдергивания зерна заполнителя из своего ложа в цементном камне: отрыв в контакте, сдвиг в контакте, срез раствора и срез заполнителя. Отрыв и сдвиг в контакте относятся к адгезионному сцеплению, а срез раствора и заполнителя - к механическому разрушению.


Бой

Глыба

Среднедисперсный инертный наполнитель

Строительный камень, плитка

Заполнитель бетона

Среднедисперсный наполнитель

Модульные блоки

'Грубо-и средне-дисперс-ₖ ный

Ультрадисперс-ный порошок, пигменты, пластик

С глиной -добавка к цементам

* Мелко- и ультрадис-l персный

Низкодисперсный наполнитель

Химический компонент

Известняк и его использование

Известь, различные химические соединения

Обожженный

Рис. 1.2. Диаграмма использования известняка в промышленности и строительстве (производство бетонов) в зависимости от степени дисперсности

9

    А. А. Плугин [7, 8] отмечает большую роль минеральных добавок в работах по замоноличиванию стыков при реставрации и реконструкции зданий и сооружений в свете влияния данных добавок на процесс твердения композита, снижения усадки и уровня развития контракционных трещин и повышения трещиностойкости мелкозернистых бетонов с минеральными (известняковыми) добавками. П. П. Будниковым, А. С. Пантелеевым, В. М. Колбасовым [9] установлено, что образование карбоалюмината кальция на поверхности карбонатных заполнителей способствует интенсификации процесса твердения за счет алюмосодержащих клинкерных минералов, при этом с поверхностью карбонатных зерен образуется прочный кристаллический конгломерат с гексагональными кристаллами карбоалюмината кальция. Авторы отмечают определяющую роль адсорбционных или активных центров на поверхности твердой фазы в адсорбции и гидратации вяжущих. Так, в [10] отмечается, что кислотные центры адсорбции определяют диссоциативную адсорбцию воды и являются активаторами процесса гидратации. Существует мнение о поверхностном процессе адгезии, обусловленном взаимодействием сил Ван-дер-Ваальса. Б. В. Дерягин, Н. А. Кротова, А. Н. Плугин, В. И. Бабушкин и другие авторы [11] объясняют адгезию наличием сил электрического взаимодействия между ионами, молекулами на границах раздела фаз. Эти силы реализуются за счет по-тенциалопределяющих ионов (ПОИ) или активных центров (АЦ). Если представить АЦ в виде локализованных электростатических зарядов соответствующих знаков на поверхности дисперсной фазы, определяющих ее электропо-верхностные свойства, т. е. ПОИ, то наличие АЦ с противоположными знаками зарядов обусловливает способность к образованию электрических гетерогенных контактов между дисперсными частицами системы. Показано, что в цементном камне и растворе для обеспечения наибольшей структурной прочности должен быть соблюден баланс между положительно и отрицательно заряженными поверхностями дисперсных частиц [7]. В работах С. П. Сивкова и В. И. Калашникова [12, 14] исследовались процессы адсорбции - десорбции гидрофобизирующих добавок - полиметилсиликоната (ПМСК) и полиэтилгид-роксилоксана (ПЭГС), суперпластификаторов на тонкодисперсных минеральных носителях, обладающих различными кислотно-основными свойствами поверхности. Установлено, что рассматриваемые добавки по их способности адсорбировать ПМСК и ПЭГС можно расположить следующим образом: тальк < микрокремнезем < опока < < микрокальцит. При этом наибольшая величина адсорбции гидрофобизирующих добавок наблюдается при использовании микрокальцита, что объясняется возможным протеканием химических реакций на поверхности частиц и образованием поверхностного химического соединения полиметилсиликоната кальция. Модифицирование гидрофобизи-10