Л.И.ДВОРКИН, д-р техн. наук, проф., Н.В.ЛУШНИКОВА, канд. техн. наук (Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно, Украина), Высокопрочные бетоны на основе литых бетонных смесей с использованием полифункционального модификатора, содержащего метакаолин
В течение последнего десятилетия наблюдается тенденция увеличения выпуска монолитного бетона и железобетона с повышенными показателями прочности и других свойств. При изготовлении густоармированных конструкций, элементов сложной конфигурации наиболее эффективно использование литых и высокоподвижных бетонных смесей. Получение однородных литых бетонных смесей высокой жизнеспособности и высокопрочных бетонов на их основе невозможно без комплексных добавок, которые являются полифункциональными модификаторами (ПФМ) структуры и свойств бетона. Наиболее эффективными в настоящее время являются комплексы на основе суперпластификаторов (СП) и активных минеральных добавок типа микрокремнезема (МК). Однако последняя является довольно дефицитной и дорогостоящей, поэтому в данных условиях конкурентоспособной добавкой для создания высокоэффективных ПФМ может служить метакаолин (МТК) - дисперсный продукт обжига обогащенных каолиновых глин. Месторождения этих глин достаточно распространены на Украине и в России. Широкие возможности ПФМ на его основе показаны в ряде работ зарубежных и отечественных авторов [1-4].
Несмотря на наличие широких исследований влияния МТК на свойства вяжущих и бетонов разного назначения, вопросы получения высокопрочных бетонов из литых смесей и оптимизации их составов освещены недостаточно. С этой целью были проведены исследования свойств цементного камня и бетонов с ПФМ, состоящего из суперпластификатора и мегакаолина.
В исследованиях были использованы следующие исходные материалы:
среднеалюминатный портландцемент ПЦI-500 ДО (ОАО «Волынь- цемент», г. Здолбунов), соответствующий классу 42,5R;
песок кварцевый Мк=1,6 и 2,4; щебень гранитный: смесь фракций 5-1 Омм (40%) и 10-20мм (60%);
суперпластификатор С-3 (Владимирский ЖБК, г. Владимир); метакаолин, изготовленный
«Георесурс», г. Киев. [5]. Физико-химические свойства метакаолина: удельная поверхность -1670М2/КГ; истинная плотность - 2,50г/см3; насыпная плотность - 410 кг/м3; нормальная густота - 46%; пуццолановая активность - 26мг/г.
Для бетонных смесей (начальной марки по подвижности П5) определяли сохраняемость подвижности и раствороотделение; для бетонов - прочность при сжатии в возрасте 3 сут и 28 сут.
Сохраняемость подвижности (далее - сохраняемость) характеризовали показателем времени, за которое средняя подвижность уменьшается с 22 до 18 см [6]:
Поданным [8], для достижения раствороотделения не больше 5% значение tg
На первом этапе исследований при сравнительной оценке свойств бетонных смесей и высокопрочных бетонов контрольного состава (без добавок), с добавкой С-3 и ПФМ были получены следующие результаты (см. таблицу).
Как видно из данных таблицы, наибольшие потери подвижности характерны для смеси с добавкой С-3, что соответствует известным данным [9], наименьшие-для смеси с добавкой ПФМ. Совместное введение СП и МТК замедляет процессы начального структурообразования, благодаря чему потери подвижности в течение 2 ч незначительны. Замедление этапа коагуляционного структурообразования наблюдалось и при исследовании электропроводности цементных паст с добавкой ПФМ [9]. Смесь с ПФМ не имела также признаков водоотделения и растворо- отделения.
Как известно, водоотделение прямо связано с водоудерживающей способностью цементных паст и бетонных смесей. Как показано в [9], максимальное значение В/Вяж, характеризующее граничную водоудерживающую способность пасты в статическом состоянии при введении ПФМ, составляет около 2,5 Кн г, что на 80 % больше, чем у цементных паст без добавок (1,65КНГ). Метакаолин, благодаря развитой форме частиц, также интенсивно связывает воду, что обусловливает значительное снижение водоотделения смесей.
Важной особенностью литых бетонных смесей является возможность раствороотделения [9, 10]. Показатель раствороотделения, определенный по ГОСТ 10181, характеризует связность бетонной смеси после виброуплотнения. Литые же бетонные смеси либо не подлежат вибрированию, либо поддаются незначительному вибрационному влиянию. Кроме того, определение раствороотделения по нормативной методике довольно трудоемко. Соотношение показателей tg
Прочность бетона с ПФМ на сжатие превышает прочность бетона с СП в возрасте 3 сут на 30%, в 28 сут - на 20%, что обусловлено увеличением количества низкоосновных гидросиликатов кальция, уменьшением капиллярной пористости цементного камня при введении МТК, что подтверждено данными наших исследований [11,12].
С целью более детального исследования влияния метакаолина на свойства бетонных смесей и бетонов был реализован эксперимент по четырехфакторному трехуровневому плану В4, близкому к D- оптимальным [13]. Условия планирования были следующие:
водовяжущее отношение В/Вяж (В/(Ц+МТК)): ХОО.ОЗ);
содержание вяжущего Вяж (Ц+МТК): Х2=(500±50)КГ/М3;
содержание метакаолина МТК: Х3=(10±5)% массы вяжущего;
модуль крупности песка Мк: Х4=(2,0±0,4).
Начальная осадка конуса бетонных смесей составляла (22±1,5)см. Для ее достижения корректировали расход суперпластификатора.
На основе экспериментальных данных была получена экспериментально-статистическая модель (ЭСМ) сохраняемости в кодированных переменных и построены графики зависимости сохраняемости от исследуемых факторов:
Как видно из рис. 1, при постоянном значении В/Вяж увеличение доли МТК в вяжущем от 5 до 15% приводит к увеличению сохраняемости ~ на 20.. .30 мин. Факторы х1 и х3 имеют наибольшее влияние на этот показатель. Известно, что при повышенных значениях В/Ц образуется экранирующая пленка из C3SHX - продукта гидратации C3S, - замедляющая дальнейшую гидратацию цемента [14]. При перемешивании эта пленка разрушается, и гидратационные процессы интенсифицируются. Увеличение доли МТК ведет к повышению сохраняемости при любом расходе вяжущего в пределах интервала варьирования (рис. 1, б). Это обусловлено тем, что частицы метакаолина, адсорбируя воду и СП, в начальный момент времени тормозят процессы гидратации, ускоряющиеся при повторном перемешивании. В то же время увеличение расхода вяжущего в смеси приводит к интенсивной адсорбции СП на зернах цемента и метакаолина, что обусловливает уменьшение подвижности. При уменьшении модуля крупности песка, те при возрастании поверхности смачивания, наблюдается снижение сохраняемости. В исследованном интервале значения сохраняемости изменяются от 1,58 ч (95 мин) при В/Вяж=0,34, Вяж=550 кг/м3, МТК=5%, Мк=1,6до 2,75 ч (165 мин) при В/Вяж=0,40, Вяж=550 кг/м3, МТК=15%, Мк=2,4.
Введение в состав бетона тонкодисперсной добавки, даже взамен цемента, приводит к возрастанию водопотребности смеси. Поэтому для сохранения заданных значений ОК и В/Вяж необходимо увеличить расход СП. На основе экспериментальных данных было получено следующее уравнение регрессии расхода СП С-3 в зависимости от указанных факторов, % от массы вяжущего:
На рис. 2 представлен график зависимости расхода СП от указанных факторов. Как видно из рис. 2,а, при высоком расходе МТК (15%) изменение В/Вяж более существенно влияет на дозировку СП, чем при низком расходе МТК. Как свидетельствует уравнение (4), возрастание доли метакаолина в вяжущем и В/Вяж наиболее существенно влияют на возрастание расхода СП. Так, при замене 5% цемента метакаолином изменение В/Вяж от 0,34 до 0,4 приводит к возрастанию дозировки СП от 0,54 до 1,05%, а при замещении 15% - к возрастанию расхода СП от 1,0 до 1,9% массы вяжущего. Зависимость, представленная на рис. 2,б, свидетельствует о большей чувствительности смесей с высоким содержанием вяжущею к изменениям дозировки СП, чем смесей с низким содержанием цемента и низким В/Ц. Так, при возрастании доли метакаолина от 5 до 15% содержание СП увеличивается от 0,45 до 1,0% при расходе вяжущего 550 кг/м3, а при расходе вяжущего 450 кг/м3 - от 0,83 до 1,7%. Возрастание расхода вяжущего приводит к уменьшению процентного содержания СП. Это согласуется с известными данными [15], согласно которым эффект использования СП более заметен в смесях с высоким расходом цемента. Уменьшение модуля крупности песка приводит к закономерному повышению содержания СП, поскольку при этом увеличивается поверхность смачивания смеси (рис. 2, в).
Минимальная дозировка СП составляет 0,2% при В/Вяж=0,4, Вяж=550кг/м3, МТК=5%, Мк=2,4, максимальная - 2,26% при В/Вяж= =0,34, Вяж=450кг/м3, МТК=15%, Мк=1,6.
Таким образом, совместное введение СП и МТК в состав ПФМ позволяет получить литые бетонные смеси с более стабильными показателями подвижности во времени, чем смеси без добавок, при условии повышения расхода СП.
Для исследуемых бетонных смесей водоотделение составляло < 0,2%, поэтому построение специальных количественных зависимостей для регулирования этого параметру в исследуемой области представлялось нецелесообразным. Для исследуемых смесей показатель раствороотделения tg
На основе экспериментальных данных также были полученные адекватные при 95%-ной доверительной вероятности уравнения регрессии, которые характеризуют влияние исследуемых факторов на прочность бетона при сжатии:
В целом диапазон прочности бетона при сжатии в возрасте 28 сут колеблется в пределах от 52,2 до 88,2МПа.
Таким образом, на основе приведенных экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что оптимальное содержание МТК, с точки зрения достижения максимальной прочности, составляет 10.13% от массы вяжущего в зависимости от остальных факторов.
На основании получения ЭСМ разработан метод подбора состава высокопрочного бетона с ПФМ, изготовленного из литых смесей. При применении последних в условиях монолитно-каркасного домостроения необходимо дополнительно обеспечить сохраняемость подвижности смесей, достаточную для транспортирования и укладывания смесей в конструкцию. Таким образом, задача оптимизации состава литых высокопрочных бетонов с добавкой ПФМ на основе СП и МТК состоит в минимизации стоимости бетона при обеспечении сохраняемости подвижности смесей тс22-18 и прочности бетонов на сжатие в проектном возрасте.
Известно, что стоимость цемента, добавок СП и МТК намного превышает стоимость заполнителей. Таким образом, минимизация стоимости бетона фактически означает минимизацию стоимости вяжущего СВяж, к которому условно причисляем МТК и СП:
По зависимости целевой функции СВяж от содержания МТК и диаграммам, полученным с помощью моделей типа (3) -(6), может быть найдено минимальное количество метакаопина и суперпластификатора для конкретных условий изготовления бетона (в том числе при изменении модуля крупности песка) с учетом необходимой сохраняемости подвижности смеси, прочности бетона и других показателей качества.
4. В точках на границе эксперимента (рис. 6) по уравнению (4) находим расход СП и определяем значение Ц, СП и МТК в кг.
5. По формуле (7) находим в каждой точке стоимость вяжущего. Стоимость вяжущего в точках на пересечении границы области возможных решений и области значений факторов х1 и х2 представлены на рис. 6. Как видно из рисунка, минимальная стоимость вяжущего будет находиться в точке на границе допустимой области с координатами (-0,68; -1), которая принадлежит линии уровня функции R28.
Аналогично можем провести расчет для других значений R28. На рис.7 представлена зависимость минимальной стоимости вяжущего от содержания МТК и линия минимальной стоимости при условии достижения заданной прочности, по которым можем найти минимально необходимую долю метакаолина в вяжущем.
Таким образом, для достижения прочности на сжатие R28=80 МПа и т > 2ч минимальная стоимость вяжущего будет обеспечиваться при расходе МТК 7,5% от массы вяжущего (35 кг/м3). Расход СП при этом будет составлять, по уравнению (4), 1,17% от массы вяжущего.
Зная расход цемента, метакаолина и В/Вяж, находим объем вяжущего, кг/м3 по формуле:
Расход песка и щебня находим по известным формулам [18].
Таким образом, на основании результатов лабораторных исследований получены экспериментально-статистические модели свойств бетонных смесей и бетонов с ПФМ, содержащим метакаолин. При использовании данных моделей можно подобрать состав бетона, имеющего минимальную стоимость при обеспечении необходимых показателей качества.
Бетон и железобетон, 2007 №1