С.С.КАПРИЕЛОВ, д-р техн. наук, А.В.ШЕЙНФЕЛЬД, Г.С.КАЩУМЯН, кандидаты техн. наук, В.Г.ДОНДУКОВ, инж. (НИИЖБ), Модифицированные высокопрочные мелкозернистые бетоны с улучшенными деформационными характеристиками
Как известно, практика массового производства высокопрочных бетонов в России связана в основном с использованием комплексных органоминеральных модификаторов серии «МБ», содержащих в своем составе микрокремнезем, золу-уноса, суперпластификатор и регулятор твердения в разных соотношениях [1.2. 3].
Исследования последних лет показали, что с использованием модификаторов МБ-01 и МБ-50С можно получать высокопрочные мелкозернистые бетоны с величинами модуля упругости и меры ползучести, соизмеримыми характеристикам высокопрочного тяжелого бетона на гранитном щебне. Но при этом величина усадки мелкозернистого бетона выше, чем у тяжелого бетона [4,5].
Целью данной работы являлось получение высокопрочного мелкозернистого бетона, обладающего такими же деформационными характеристиками (модуль упругости, ползучесть и усадка), как тяжелый бетон на гранитном щебне аналогичной прочности на осевое сжатие.
Сравнительно недавно разработан новый органоминеральный модификатор ЭМБЭЛИТ, в состав которого, помимо микрокремнезема, золы-уноса и суперпластификатора С-3, введена расширяющая композиция сульфоалюминатного типа, эффект расширения которой основан на реакции образования эттрингита [6]. Установлено, что изменением количества расширяющей композиции в минеральной части модификатора можно регулировать условия и характер кристаллизации эттрингита, что создает предпосылки не только для уменьшения или компенсации усадочных деформаций, но и для расширения цементной системы [6,7].
Идея эксперимента заключалась в решении двух задач: во-первых, в сравнении бетонов одного класса по прочности на сжатие, которые имели равные объемы цементного камня, но отличались между собой качеством последнего; во- вторых, в сравнении бетонов одного класса по прочности, имеющих разные объемы цементного камня, но одинакового качества.
Сравнение проводили по таким параметрам, как прочность, модуль упругости, мера ползучести, расширение-усадка и самонапряжение бетона.
Для решения первой задачи сравнивали образцы высокопрочного мелкозернистого бетона, которые содержали примерно одинаковое количество цемента (615-623 кг/м3) и модификатора (153-156 кг/м3, т.е. 25% массы цемента), имели одинаковое водовяжущее отношение В/(Ц+МБ)=0,28 и соответственно одинаковый объем цементного камня, равный 0,48-0,49 м3/м3. Указанные образцы были приготовлены с модификаторами различных марок: МБ 6-50С, ЭМБЭЛИТ 6-50 и ЭМБЭЛИТ 6-100, в минеральной части которых доля расширяющей композиции была разной и составляла 0; 50 и 100% соответственно, что, если иметь в виду предыдущие исследования [7], создавало предпосылки для варьирования качеством (фазовым составом) цементного камня. Все бетоны были приготовлены из высокоподвижных смесей с ОК=21- 24 см.
Для решения второй задачи сравнивали образцы цементного камня, а также мелкозернистого и тяжелого бетонов, которые содержали разное количество вяжущего (цемент + модификатор) и соответственно имели разный объем цементного камня (от 0,39 до 1,00 м3/м3), но одинаковую дозировку модификатора ЭМБЭЛИТ 6-100, равную 25% массы цемента. Во всех смесях истинное водовяжущее отношение, с учетом водопоглощения заполнителей [8], составляло 0,23. Составы и свойства бетонных смесей приведены в табп.1.
Для приготовления бетонов использовали следующие материалы:
- портландцемент М500 ДО (минералогический состав: C3S=65%; р-C2S=19%; С3А=6%; C4AF=10%; CaS04-2H20=4%), соответствующий ГОСТ 10178 и ГОСТ 30515;
- модификаторы бетона марок: МБ6-50С, соответствующий ТУ 5743-083-46854090-98, ЭМБЭЛИТ 6- 50 и ЭМБЭЛИТ 6-100, соответствующие ТУ 5870-176-46854090-04;
- песок кварцевый (М = 2,5), соответствующий ГОСТ 8736;
- щебень гранитный (фракция 5- 20 мм), соответствующий ГОСТ 8267 и ГОСТ 26633;
- вода, соответствующая требованиям ГОСТ 23732.
Подвижность (ОК), среднюю плотность (р0) и объем вовлеченного в бетонную смесь воздуха (VBB) определяли в соответствии с ГОСТ 10181.1-ГОСТ 10181.3. Кубиковую прочность бетона на сжатие определяли на образцах 100x100x100 мм, а прочность бетона при изгибе и осевом растяжении на образцах 100x100x400 мм в соответствии с ГОСТ 10180. Призменную прочность, модуль упругости и коэффициент Пуассона определяли на образцах бетона 100x100x400 мм в соответствии с ГОСТ 24452. Деформации расширения-усадки и ползучесть (при уровне нагружения 0,3Rbn) определяли на образцах 100x100x400 мм в соответствии с ГОСТ24544 и ТУ 5743-157-46854090- 03. Самонапряжение бетонов определяли по величине деформаций расширения образцов 50x50x200 мм в условиях одноосного упругого ограничения, создаваемого динамометрическими кондукторами в соответствии с ТУ 5743-157- 46854090-03.
Все образцы цементного камня и бетона твердели в течение 1 сут в формах под пленкой, далее, после распалубки - 6 сут в воде (относительная влажность 100%), а затем в воздушно-сухих условиях (относительная влажность 60%).
Опубликованные ранее [6, 7] результаты исследований показали, что наличие в составе минеральной части модификаторов ЭМБЭЛИТ расширяющей композиции приводит к изменениям фазового состава цементного камня, которые, в сравнении с образцами камня с МБ- 50С, выражаются в повышении в 2 раза содержания эттрингита и в 1,5 раза портландита при незначительном уменьшении количества низкоосновных гидросиликатов кальция (табл.2).
При этом образовавшийся в цементной системе эттрингит - мелкокристаллический, в форме гелеобразной массы и игольчатых кристаллов, что предопределяет более значительное расширение и способствует устойчивости сульфоалюминатной системы в целом. Изменение качества цементного камня (состава кристаллогидратов) оказывает влияние и на его поровую структуру. Комплексное исследование последней [7] показало, что введение в состав модификатора расширяющей композиции приводит к повышению общей пористости цементного камня от 31,80 до 37,73% и, как следствие, к изменению баланса между гелевыми (10A Анализируя полученные результаты, можно заметить, что механизм формирования высокопрочной структуры бетона с модификатором, содержащим расширяющую композицию, преимущественно связан с формами образования эттрингита и особым характером распределения пор. Изменение количества расширяющей композиции в составе минеральной части модификатора от 0% (МБ 6-50С) до 100% (ЭМБЭЛИТ 6-100) не приводит к существенным изменениям свойств мелкозернистых бетонных смесей при постоянном В/(Ц+МБ): такие параметры, как подвижность (ОК), объем вовлеченного воздуха (VBB), плотность (р0), практически одинаковы (образцы 1,2,3, табл.1). Кинетика твердения бетонов также не зависит от доли расширяющей композиции в минеральной части модификатора: прочность на сжатие кубов и призм разных образцов с добавками МБ-50С и ЭМБЭЛИТ во все сроки твердения не отличаются более чем на 10%. В менее значительном диапазоне изменяется прочность тех же образцов при изгибе и осевом растяжении (образцы 1, 2, 3, табл.З). Таким образом, по этим показателям все образцы бетонов равнопрочные и могут быть отнесены к одному классу В80. Следует обратить внимание на значительную величину прироста прочности бетона в возрасте от 28 до 180 сут, которая составила для прочности: на сжатие - 7-11%, при изгибе - 28-35% и при осевом растяжении - 47-67% (табл.З, составы 1-3). Можно предположить, что увеличение прочности в поздние сроки твердения связано с процессами дальнейшей гидратации цемента и уплотнения структуры мелкозернистых бетонов. Тем не менее, надо признать, что столь разные значения прироста прочности при разном нагружении требуют более детального анализа. Изменение количества расширяющей композиции в составе минеральной части модификатора от О до 100% практически не влияет на модуль упругости (38.. .42 ГПа), коэффициент Пуассона (0,18.. .0,19) и меру ползучести (26,4-106... 36,9-106 МПа1) высокопрочного мелкозернистого бетона, но существенно отражается на усадочных деформациях: во всех образцах с модификаторами ЭМБЭЛИТ выявлены остаточные деформации расширения вместо усадки после твердения в воздушно-сухих условиях (табп.4). При исследованиях деформаций расширения-усадки были обнаружены следующие тенденции: после помещения образцов в воздушно-сухие условия (W=60%) у всех бетонов наблюдали усадочные деформации, которые частично компенсировали деформации расширения и самонапряжения, достигнутые при водном хранении (W=100%). Однако проявившиеся деформации расширения-усадки в основном стабилизировались после 30 сут твердения (рис.1 и 2). В мелкозернистом бетоне с модификатором МБ6-50С без расширяющей композиции после 6 сут твердения в воде отмечено незначительное набухание, которое в воз- душно-сухой среде полностью компенсировалось деформациями усадки, достигшими уровня -0,039% в возрасте 120 сут (рис.1 и 3). В отличие от этого в бетонах с модификаторами ЭМБЭЛИТ 6-50 (содержание расширяющей композиции 50%) и ЭМБЭЛИТ 6-100 (содержание расширяющей композиции 100%) после 6 сут твердения в воде проявились деформации расширения, которые составили 0,05 и 0,1 % соответственно. После твердения в воздушно-сухих условиях остаточные деформации расширения в возрасте 120 сут составили 0,001 и 0,060% соответственно, что позволяет отнести их к бетонам с компенсированной усадкой и расширяющим (рис.1 и 3). Величина самонапряжения образцов высокопрочных мелкозернистых бетонов с модификаторами ЭМБЭЛИТ 6-50 и ЭМБЭЛИТ 6-100 после 6 сут водного хранения составила 0,9 и 2,1 МПа соответственно. Исследования остаточного самонапряжения образцов мелкозернистого бетона с модификаторами ЭМБЭЛИТ показали, что их хранение в воздушно-сухих условиях (W=60%) после 6 сут водного выдерживания (W=100%) приводит лишь к частичной потере самонапряжения и его быстрой стабилизации к 30-суточному возрасту на уровне 0,3 и 1,0 МПа соответственно (рис.2 и 3). Анализируя результаты данной серии экспериментов, можно заключить, что высокие прочности мелкозернистых бетонов с модификаторами ЭМБЭЛИТ в ранние сроки твердения (до 40 МПа в возрасте 1 сут и до 90 МПа в возрасте 7 сут) не цементный камень с ЭМБЭЛИТ6-100 тяжелый бетой с ЭМ Б ЭЛ И Тб-1 0 0 мелкозернистый бетон с ЭМБЭЛИТ6-10 мелкозернистый бетон с ЭМБЭЛИТ6-5 0 мелкозернистыйбетон с МБ6-50С неизменных свойствах бетонных смесей, а также прочностных и деформационных характеристиках мелкозернистых бетонов. Замена части цементного камня на мелкий и крупный заполнитель при постоянном истинном водовяжущем отношении приводит к снижению подвижности и повышению средней плотности бетонных смесей (табл.1, составы 3,4 и 5). Все образцы цементных систем цементного камня, мелкозернистого и тяжелого бетонов - обладали примерно равной призменной и ку- биковой прочностью на сжатие в возрасте 28 и 180 сут и по этому показателю могут быть отнесены к одному классу - В80 (см.табл.З, составы 3,4 и 5). Однако с увеличением содержания крупного заполнителя повышается прочность бетона при изгибе и при осевом растяжении (см.табл.1 и 3, составы 3,4 и 5). Сравнение мелкозернистого и тяжелого бетонов с модификатором ЭМБЭЛИТ 6-100 показывает, что при практически неизменных значениях модуля упругости (42...46 ГПа), коэффициента Пуассона (0,19...0,20) и остаточных деформациях линейного расширения (0,060...0,075%) введение крупного заполнителя приводит к уменьшению и меры ползучести, и самонапряжения бетона (см.табл.4, составы 3 и 5). Данное обстоятельство можно связать только с заменой в составе тяжелого бетона значительного объема сравнительно деформативного цементного камня инертным заполнителем. Анализ результатов на данном этапе исследований показывает, что использование модификатора ЭМБЭЛИТ позволяет изготовлять высокопрочный мелкозернистый бетон, обладающий такими же деформационными характеристиками, как и тяжелый бетон на гранитном щебне с аналогичной прочностью на сжатие. Полученные высокопрочные мелкозернистые бетоны имеют остаточный, после усадки, уровень деформаций линейного расширения и самонапряжения, позволяющий квалифицировать их как расширяющие или напрягающие. Выводы 1. Механизм формирования высокопрочной структуры цементного камня с модификатором ЭМБЭЛИТ, содержащим расширяющую композицию, преимущественно связан с формами образования эттрингита и особым характером распределения пор. Эттрингит здесь представлен в основном гелеобразными и мелкокристаллическими новообразованиями, дисперсная форма которых является одним из факторов стабильности цементной системы. А пористость характеризуется снижением объема макропор и соответствующим увеличением пор геля и субмикропор. 2. Варьирование количеством расширяющей композиции в составе минеральной части модификатора ЭМБЭЛИТ позволяет управлять деформациями расширения-усадки и получать высокопрочные мелкозернистые бетоны из высокоподвижных смесей с улучшенными деформационными свойствами - повышенным модулем упругости и пониженной ползучестью, с компенсированной усадкой или расширением. 3. Используя комплексные органоминеральные модификаторы ЭМБЭЛИТ, можно получать высокопрочные мелкозернистые бетоны, обладающие такими же деформационными характеристиками, как и тяжелый бетон на гранитном щебне с аналогичной прочностью на сжатие.
