Ю. Д. ЧИСТОВ, канд. техн. наук (МИСИ), Концепция создания неавтоклавных бетонов на основе пылевидных песков
В геологических запасах песков в странах СНГ преобладают месторождения мелких песков. Некоторые районы не располагают в достаточном количестве запасами крупного заполнителя. Это вынуждает либо применять мелкие пески, либо завозить крупные пески и крупный заполнитель для приготовления бетона, что удорожает стоимость последнего.
С позиции рационального использования минерального сырья, людских и энергетических ресурсов следует более широко применять в строительстве песчаные бетоны. Однако внедрение бетонов этого вида идет неоправданно медленно, принося большие экономические потери.
К настоящему времени накоплен положительный опыт получения прочных и долговечных песчаных бетонов на основе стандартных песков. Однако вопрос использования мелких (пылевидных) полиминеральных песков в бетонах без крупного заполнителя остается нерешенным. Сдерживающими факторами применения пылевидных песков в производстве бетонов являются большие расходы воды и вяжущего и, как следствие этого, высокие усадочные деформации, низкая трещиностойкость и недостаточная долговечность изделий. Эти обстоятельства послужили тормозом научных изысканий и практических усилий по применению мелких песков в строительстве.
С 60-х годов в МИСИ проводятся целенаправленные исследования возможности получения экономичных и долговечных бетонов без крупного заполнителя на основе пылевидных (барханных) песков и разрабатываются принципы прогнозирования эксплуатационных свойств таких бетонов [1]. Концепция создания неавтоклавных бетонов на основе пылевидных песков без крупного заполнителя базируется на том, что такие композиты принципиально отличаются по составу и строению не только от обычных, но и от песчаных (мелкозернистых) бетонов.
Композиции из цемента, воды и пылевидного песка по структуре ближе к цементным пастам, водонасыщенным глинам, суглинкам и др. В затвердевшем, структурированном состоянии их только условно можно назвать бетонами. Это по сути микробетоны. Рассматриваемые композиции представляют собой связанную систему, состоящую из обводненных твердых частиц (возможно флокул), жидкой и газовой фаз.
Известно, что для обычных бетонов на крупном и мелком заполнителях присутствие
фракций песка менее 0,1 мм не рекомендуется. Мелкие частички способны адсорбироваться на более крупных и образовывать вокруг них пленки, ослабляя сцепление частиц песка с цементом. Кроме того, подобные пленки раздвигают зерна песка, что повышает его пустотность.
Пылевидные пески в основном состоят из частиц меньше 0,1 мм. По свойствам они резко отличаются даже от мелких песков (Мк — 1,2... 1,5). Модуль крупности пылевидных песков меньше единицы. Их целесообразно характеризовать удельной поверхностью, которая может достигать 350...450 см2/г. Для сравнения: мелкий песок Люберецкого месторождения имеет удельную поверхность 80 см2/г.
В отличие от мелких кварцевых песков пылевидные суммарно могут содержать до 50 % полевых шпатов, карбонатов и глинистых примесей.
Затвердевшие цементно-песчаные композиции на основе мелких полиминеральных песков имеют пористость около 22...25 %. Размер пор достигает 1... 1,5 мм в диаметре. Из-за большого сут водосодержания затвердевший камень пронизан большим числом капилляров. При расходе цемента 350... 400 кг/м3 не удается обеспечить достаточного склеивания зерен песка между с.обой. Слитное строение таких бетонов достигается при расходе цемента 600... 650 кг/м3.
Уменьшить пористость затвердевшего камня и размер пор можно путем регулирования фракционного состава всей композиции, а не только песка. Для этого необходим домол цемента и части песка [2].
Известны предложения улучшения качества бетонов на основе мелких песков путем активации цемента и разбавления мелкого песка крупным. Если первое возможно благодаря домолу цемента непосрественно на заводе ЖБИ, то второе требует доставки крупного песка.
В теоретическом плане такие предложения ставят под сомнение принцип широкого использования местных мелких песков без добавления крупного. Мелкие пески, таким образом, становятся некондиционными.
В лучшем случае им отводится роль мелкого заполнителя в песчаных бетонах. В основу такого подхода положено представление о структуре классического бетона с крупным заполнителем. В композициях на основе пылевидных песков без крупного заполнителя и стандартного песка целесообразно наполнять смеси тонкомолотыми компонентами, а не вводить в них крупные фракции.
Измельчение части полиминерального песка предусматривает не только направленное изменение гранулометрического состава песка, но и своеобразное насыщение смеси нуццоланически активными компонентами. При совместном помоле цемента и песка, например в соотношении 1:1 по массе, по удельной поверхности около 2500 см2/г происходит интенсивное измельчение более мягких минералов (полевых шпатов, карбонатов и глинистых включений), а кварцевые зерна леска практически не размалываются. Ввод в композицию тонкомолотой цементно-песчаной смеси увеличивает плотность микробетона и включает в процесс твердения дополнительные резервы за счет химического взаимодействия гидроксида кальция и активных минералов пылевидного песка.
При среднем расходе песка до 1400 кг на 1 м3 бетона в песке содержится почти 450 кг полевых шпатов, карбонатов и глинистых примесей, способных усвоить более 25 кг оксида кальция при термообработке бетона в течение 12 ч [3]. При учете химической активности этих минералов по отношению к гидроксиду кальция возникает обоснованная необходимость наполнения цементно-песчаной смеси молотой негашеной известью в количестве до 50 кг на 1 м3 бетона. Домол цемента с частью песка и известью способствует формированию структурированной системы с комплексом заданных свойств.
Целенаправленное формирование структуры ка микро- и макроуровнях путем регулирования количества молотой и немолотой частей цементно-известково-песчаных смесей обеспечивает получение прочных и долговечных строительных изделий.
Рассматриваемые цементно-известково-песчаные композиции, Затворенные водой, представляют собой систему взаимосвязанных компонентов, подверженных изменению во времени. Развитая и реакционно способная поверхность твердой фазы системы обусловливает ее высокие вязкие свойства. Такие смеси ближе подходят к связанным грунтам и представляют собой единое однородное изотропное физическое тело, характеризующееся вязкостью, предельным напряжением сдвига и коэффициентом внутреннего трения. Их поведение можно описать уравнением Кулона.
Теоретические предпосылки создания таких композиций и изделий на их основе подтверждены практическими разработками. С помощью специально построенных номограмм можно подобрать оптимальные составы бетонных смесей и получить бетоны с заданными свойствами.
В качестве примера на рис. 1 приведена номограмма основных свойств песчаного бетона на мелком полиминеральном песке с удельной поверхностью 360 см2/г при В/Т = 0,16, что позволяет получать бетонные смеси жесткостью 5...40 с в зависимости от количественного соотношения компонентов. Для более подвижных и жестких смесей построены другие номограммы. Диапазон изменения жесткости бетонных смесей 3...180 с обеспечивает получение достоверной информации о расходе цемента в песчаных бетонах, их прочности и усадке.
Выбор оптимального состава бетонной смеси производится следующим образом. Задаемся прочностью и жесткостью бетонной смеси: Лгв = 30 МПа.
Таким образом, для приготовления бетона прочностью 30 МПа из бетонной смеси жесткостью 30 с необходимо затратить 440 кг цемента, 538 кг молотого песка, 885 кг немолотого песка и 243 л воды.
При использовании более крупного песка с удельной поверхностью 200 см2/г для получения бетона той же прочности из бетонной смеси той же подвижности расход материалов на 1 м3 бетона составит: цемента — 425, молотого песка — 638, немолотого песка — 869 кг, воды — 309 л.
Наглядное представление о влиянии количества воды затворения на прочность бетона можно получить из рис. 2. Бетонные смеси приготовлены на одном виде песка и цемента, но с разным В/Т. Расположение кривых изменения прочности указывает на закономерность роста прочности бетона с уменьшением В/Т при равных значениях Х1 и Х2- Например, в точке А бетонная смесь характеризуется показателями Xi = 0,5; Х2 = 0,44, по разным В/Т: 0.18; 0,16; 0,14. Для смеси с В/Т = 0,18 бетон соответствует прочности 20 МПа, а для В/Т = 0,16 - 24 и В/Т = 0,14 - 28 МПа. В то же время при одном и том же В/Т можно получить бетоны равной прочности, изменяя Х1 и Х2 цементно-песчаных композиций.
С учетом возможного развития известкового голода в песчаном бетоне разработаны мероприятия по защите стальной арматуры.
Выводы
При изучении основных строительных свойств бетонов на пылевидных песках без крупного заполнителя установлены зависимости расхода цемента, подвижности бетонной смеси, прочности и усадки бетона от количества молотого компонента в составе твердой фазы рабочей композиции, что позволяет не только оптимизировать составы бетонных смесей, но и прогнозировать свойства бетонов. Изучена щелочность жидкой фазы бетона и установлены закономерности изменения водородного показателя от состава цементно-песчаной смеси и вида мелкого песка. Это послужило основанием разработки способов защиты стальной арматуры от коррозии.
Научные исследования и практические рекомендации легли в основу разработки оригинальной технологии неавтоклавных бетонов на основе пылевидных полиминеральных песков без крупного заполнителя.
Разработанная технология обеспечивает получение бетонных и железобетонных изделий требуемой прочности, повышенной трещиностойкости, морозостойкости, водонепроницаемости, стойких к воздействию агрессивных грунтовых вод.
Бетон и железобетон, 1993